1 Vliv biopaliv na emise částic ze vznětových motorů

Transkript

Vliv biopaliv na emise částic
ze vzně
vznětových motorů
motorů
Michal Vojtíšek,
M.S., Ph.D.
Fakulta strojní ČVUT v Praze
[email protected]
tel. (+420) 774 262 854
Současné problémy silniční dopravy
• Intenzita dopravy i spotřeba paliva rostou
• Emise ze spalovacích motorů, zejména velmi jemné částice, se
stávají jedním z hlavních problémů většiny měst
• Spalování fosilních paliv vede k emisím skleníkových plynů, jejich
narůstající koncentrace spojena s rizikem klimatických změn
• Zásoby fosilních zdrojů jsou omezené
• ČR i EU jsou energeticky závislé na jiných zemích
Habilitač
ka
Habilitační přednáš
ednáška
Fakulta strojní
strojní ČVUT v Praze
Vliv biopaliv na emise částic vznětových motorů
Michal
29.
Vojtíšek
kvě
tna 2014
přednáška – FS ČVUT v Praze, 29.5.2014
kv– ěHabilitační
1
Emise skleníkových plynů,
trendy koncentrace CO2,
trendy průměrné teploty
Michal Vojtíšek – Habilitační přednáška – FS ČVUT v Praze, 29.5.2014
2
Částice ve výfukových plynech
naftové
naftového motoru
Liati A., Dimopoulos P.E., Combustion and Flame 157 (2010) 1658–1670.
Zdroj: NOAA, USA
http://www.esrl.noaa.gov/news/2008/img/co2trend.m.gif
http://www.usgcrp.gov/usgcrp/Library/nationalassessment/LargerImages/
OverviewGraphics/1000YrRecords.jpg
3
Typické velikostní spektrum částic
- vznětové motory
4
Zachycovací
Zachycovací účinnost dýchací
dýchacího systé
systému
A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 2008
Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 5/6, pp. 575-588, 1998
5
6
1
(dopravní nehody „jen“ 39 tisíc)
Statistiky ČR:
částice 7379 (Puklíková, Hygiena 2013)
nehody 583 (statistiky Policie ČR)
Jednotky % etanolu v benzinu
CO2
J
LE
O
y
din
plo
é
at
ejn
Ol
Rozjezd kamionu na 90 km/h:
0,5 až 1 litr nafty
Volnoběh osobního automobilu:
0,5 až 1 litr paliva za hodinu
Dříve než motory zavrhnete,
zkuste spálit stejné množství
uhlí či biomasy uprostřed ulice.
Biopaliva v ČR
Kolobě
Koloběh uhlí
uhlíku u rostlinné
rostlinného oleje
ní
Slunergčie
ene
Částice a ozon v přízemních
vrstvách atmosféry jsou příčinou
cca 406 tisíc předčasných úmrtí
v EU ročně
7
DOPRAVA
PO
KR
UT
IN
Y
TEPLO
Živiny (popel)
CO2
8
Výroba bionafty – energetická
energetická nároč
ročnost
Historické
Historické využ
využití
ití:
Parní
Parní stroj (dř
(dřevo)
Dřevoplyn
Alkohol, katalyzá
katalyzátory
Glycerin, vedlejší
vedlejší produkty
Jednotky % FAME v naftě
naftě
Transesterifikace
Transesterifikace
E85 (70(70-85% etanol)
Doprava do rafinerie
B100 (č
(čistá
istá bionafta)
B30 (smě
(směsná
sná nafta)
Rostlinný olej
„Pokoutné“
Pokoutné“ spalová
spalování rostlinných
olejů
olejů různých kvalit
Doprava ke spotř
spotřebiteli
Alkylestery
Alkylestery mastných kyselin
(např
např. metylester řepkové
epkového oleje)
oleje)
- BIONAFTA
BIONAFTA
Souč
Současná
asná energetická
energetická nároč
ročnost:
0.40.4-0.5 MJ z fosilní
fosilních zdrojů
zdrojů na 1 MJ v bionaftě
bionaftě,
Výzkumné
Výzkumné a demonstrač
demonstrační účely
Bioplyn (metan)
převá
evážně na výrobu metanolu a výrobu MEŘ
MEŘO
(ropná
(ropná nafta: 1.15 fosilní
fosilních MJ / MJ nafty)
Dimetylé
Dimetyléter
Odhady energetické
energetické nároč
ročnosti se liší
liší !!!
n-butanol, isoiso-butanol
...
http://www.km-prona.cz/Seznam_cerpacich_stanic.htm?stanice=Cerpaci_stanice_-_Byst#seznam
9
Praktické
Praktické využ
využití
ití rostlinné
rostlinného oleje v moderní
moderních motorech
Zálež
leží na technologii a zda k výrobě
výrobě paliva
energii z fosilní
fosilních či obnovitelných zdrojů
zdrojů.
10
Lisová
Lisování rostlinné
rostlinného oleje
(Stř
(Střední
ední škola Landwirtschaftliche Fachschule,
Fachschule, Tulln a.d. Donau,
Donau, Rakousko)
Tulln,
Tulln, Rakousko. Foto autor.
11
12
2
Různé
zné druhy a kvality rostlinných olejů
olejů
Různé
olejů
Nevyhovují
e být zdrojem mnoha problé
Nevyhovující kvalita můž
může
problémů
Viskó
Viskózní
zní
úsady
Surový
palmový
olej
Degradovaný
Degradovaný
řepkový olej
Řepkový olej
palivové
palivové
kvality
Palmový
olej
Použ
Použitý
fritovací
fritovací
olej
Měřen
ěřeníí emisí
emisí – válcová
lcová zkuš
zkušebna (New
(New York, USA)
Ford FF-350 – nafta, bionafta, použ
použitý fritovací
fritovací olej
Kousky vysoce
viskó
viskózní
zních
polymerů
polymerů v
degradované
degradovaném
oleji
Odpad z
výroby
bionafty
(není
(není palivo,
nehoř
nehoří v
motoru)
Použ
Použitý
fritovací
fritovací
olej
15
Měřen
ěřeníí emisí
emisí – válcová
lcová zkuš
zkušebna (New
(New York, USA)
Ford FF-350 – nafta, bionafta, použ
fritovací olej
Frit.olej
Cycle
LA92
HWFE
NYCC
USO6
CO2
- 13%
PM
- 34%
- 57%
- 61%
- 53%
- 9%
+ 5%
- 9%
- 34%
- 9%
+ 15%
- 2%
- 40%
- 22%
+ 6%
- 6%
- 20%
60
50
100
40
80
30
60
20
40
10
20
CO
NOx
CO2
PM
- 21%
- 12%
- 34%
- 6%
- 4%
- 34%
- 8%
+ 2%
+ 30%
- 30%
+ 61%
+ 42%
+ 162%
+ 31%
- 4%
- 5%
- 20%
HC
0.10
0.05
0.07
CO
0.33
0.29
0.53
NOx
2.94
3.00
2.64
CO2
304
277
285
PM
0.155
0.106
0.106
B-100 vs. nafta
- 50%
- 11%
+ 2%
- 9%
Frit.olej vs. nafta
- 25%
+ 60%
- 10%
- 6%
- 32%
- 32%
Průměr
- 35%
- 20%
Palivo
Nafta
Bionafta
Frit. olej
(Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 2007)
NOx
- 7%
HC
nafta
Nákladní
kladní vůz Ford FF-350
CO
- 10%
- 14%
vs.
Emise uhlovodí
uhlovodíků (HC) – nafta, 100% MESO, použ
fritovací olej
HC
- 43%
US EPA FTP test
70
THC emissions [mg/s]
nafta
Cycle
LA92
HWFE
NYCC
USO6
16
USO6 test
US EPA HFET test
Diesel_1
B-100_1
VegOil_1
Road speed [km/h]
Diesel_2
B-100_2
VegOil_2
NYCC
test
(vysoká rychlost,
agresivní jízda)
140
120
(střed města)
0
roll speed [km/h]
B-100
vs.
14
Různé
olejů
Nevyhovují
e být zdrojem mnoha problé
Nevyhovující kvalita můž
může
problémů
Použ
Použitý
fritovací
fritovací
olej
Teplota
(bod)
tuhnutí
tuhnutí
13
Pevné
Pevné
látky
0
1
301
601
901
1201
1501
1801
2101
2401
2701
3001
3301
3601
3901
4201
4501
time (s)
Poznámka: Orámované pole označuje statisticky významný rozdíl (p < 0.05)
17
18
3
Měřen
ěřeníí plynných emisí
emisí mobilní
mobilním spektrometrem FTIR
Emise skleníkových plynů
(práce autora v roce 2006 na Atmospheric Sciences Research Center, SUNY,
vychází z grantu NYSERDA PON 704, jehož byl autor hlavním řešitelem)
Emise CO2 měřeny IR spektrometry
Uložení za jízdy
Napájení 12V, celkový
v odpruženém rámu příkon za jízdy < 300W
IR spektrum
Emise oxidu dusného (N2O) měřeny na vozidle Ford FTIR spektrometrem
Emise N2O byly při provozu na rostlinný olej vyšší, ale koncentrace byly pouze
jednotky ppm, tedy nízké desetiny g na kg CO2
Ovládání za jízdy
průmyslovým PC
FTIR spektrometr
MIDAC I-series
I při uvážení vyššího „skleníkového“ potenciálu N2O se jedná o ekvivalent řádově 1%
CO2 vyprodukovaného při provozu na naftu.
Kyveta 0.3 dm3,
6 m optická délka
Vyhřívaná na 191°C
Regulace
vyhřívání
všechen uhlík v palivu však pochází z CO2 absorbovaného rostlinami ze vzduchu – proto
jsou výsledné přímé emise CO2 ze spalování rostlinných olejů nulové
Emise metanu (CH4) byly měřeny na vozidle Ford FTIR spektrometrem a byly pod mezí
detekovatelnosti (cca 1 ppm).
Porovnání emsí - nafta, 100% bio nafta, rostlinný olej
D-1--N2O (ppm)
Ford F-350 pickup truck, r.v. 1999, Powerstroke V-8 7.3-l turbodiesel s přímým vstřikem
D-2--N2O (ppm)
Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series
7
US EPA Highway
LA 92
Fuel Economy
6
koncentrace [ppm vol]
Vzorkovací
hadice - 191°C
V-1--N2O (ppm)
B-1--N2O (ppm)
V-2--N2O (ppm)
B-2--N2O (ppm)
NYCC
USO6
5
4
3
2
1
0
(Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 2007)
19
Emise aldehydů
aldehydů a dienů
dienů – nafta, MEMK, olej
Biofuels workshop, Superior, Montana, 2001 – VW Transporter
Nákladní
kladní vůz Ford FF-350 (Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 2007)
Poznámka: acetaldehyd, akrylaldehyd a 1,3-butadien pod prahem detekce (cca 1 ppm)
D-1--HCHO (ppm)
D-2--HCHO (ppm)
25
US EPA Highway
LA 92
Fuel Economy
20
US EPA FTP test
V-1--HCHO (ppm)
B-1--HCHO (ppm)
V-2--HCHO (ppm)
B-2--HCHO (ppm)
NYCC
USO6
USO6 test
US EPA HFET test
15
20
(vysoká rychlost,
agresivní jízda)
NYCC test
(střed města)
10
5
0
D-1--butadiene (ppm)
B-1--butadiene (ppm)
V-2--butadiene (ppm)
V-1--butadiene (ppm)
D-2--butadiene (ppm)
B-2--butadiene (ppm)
NYCC
USO6
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
21
Metylestery a etylestery hořč
hořčiičného a sojové
sojového oleje, surové
surové oleje
Výsledky – rychlost jí
jízdy a profil trati (GPS)
22
Metylestery a etylestery hořč
hořčiičného a sojové
sojového oleje, surové
surové oleje
Výsledky – emise částic v zá
závislosti na ujeté
ujeté vzdá
vzdálenosti
Výsledky vyneseny vzhledem k ujeté vzdálenosti (časy se neshodují)
920
80
910
70
900
60
890
50
880
40
870
30
860
20
850
10
840
0
830
0
1
Nafta A
FAME A
2
3
4
5
elapsed
Frit. Olej
A miles
FAEE A
6
7
8
Nafta B
Výškový profil [m]
23
9
Frit. Olej B
12
10
emise PM [mg/s]
90
nadm. výška [m]
rychlost [km/h]
2.5
US EPA Highway
LA 92
2
Fuel Economy
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
elapsed
Naftamiles
A
6
7
Frit. Olej A
8
FAME A
9
FAEE A
24
4
Měřen
ěřeníí emisí
emisí – San Diego, Kalifornie - VW Jetta – použ
fritovací olej
Měření emisí částic a účinnosti oxidačního katalyzátoru
VW Jetta, 20,9 km zkušební trať
Současné měření před a za katalyzátorem
PM emissions [mg/s]
10
Diesel-Upstream
Diesel-Downstream
1
0.1
Nafta
0.01
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
VO-Downstream
VO-Upstream
10
PM emissions [mg/s]
20 elapsed km
1
0.1
Rostlinný olej
0.01
0
vznětový motor Cummins ISBe4
diesel = nafta, RO = ohřátý řepkový olej, FAME = bionafta
Velikostní spektra částic - plný výkon
vznětový motor Cummins ISBe4
diesel = nafta, RO = ohřátý řepkový olej, FAME = bionafta
miliony částic za sekundu
1.E+5
Vojtíšek a kol., SAE 2011-24-0104
miliony částic za sekundu
1.E+6
1.E+5
1.E+4
13:15 diesel
13:45 diesel
14:15 diesel
15:22 RO
15:52 RO
16:22 RO
16:52 RO
17:33 FAME
18:03 FAME
10
10
Střední hodnoty
toxického ekvivalentu
(TEQ) benzo(a)pyrenu
(BaP).
1.E+3
1.E+2
13:15 diesel
13:45 diesel
14:15 diesel
15:22 RO
1.E+1
15:52 RO
16:22 RO
16:52 RO
1.E+0
17:33 FAME
18:031FAME
10
100
1000
1.E+3
1.E+2
1.E+1
benzo(a)pyren (BaP).
1.E+0
100
1000
ekvivalentní prům ěr [nm]
12
14
16
27
Emise PAU při provozu na B-100 vzhledem k motorové naftě
4 motory (2 i s DPF), 2 laboratoře motorů, 3 analytické laboratoře
Vojtíšek a kol., Atmospheric Environment, 2012
18
20 elapsed km
26
B-30 (směsná nafta), B-100 (bionafta), řepkový olej
4 motory, 2 laboratoře motorů, 3 analytické laboratoře
Vojtíšek a kol., Atmospheric Environment, 2012
ekvivalentní průměr [nm]
10
8
Emise PAU při provozu na biopaliva vzhledem k motorové naftě
1.E+4
1
6
B[a]P TEQ - biopaliva [ug/kWh]
Motor Cummins ISBe4
Nafta, bionafta,
Rostlinný olej
4
Velikostní spektra částic - volnoběh
Velikostní spektra částic
2
25
1
Ohřátý řepkový olej
B-100 všechna měření
B-100 DPF
B-30 všechna měření
B-30 DPF
0,1
0,01
0,001
0,001
0,01
0,1
1
B[a]P TEQ - motorová nafta [µg/kWh]
10
28
Toxikologické
Toxikologické zkouš
zkoušky – vzorková
vzorkování částic vysokoobjemovými vzorkovač
vzorkovači
s ná
následnou extrakcí
extrakcí částic nebo organických lá
látek a inin-vitro studiemi
Spoluprá
Spolupráce autora s Ústavem experimentá
experimentální
lní medicí
medicíny AV ČR
emise PAU: B100 vzhledem k naftě .
-100%
-90%
-80%
Součet stanovených PAU
-70%
Σ 7PAU (US EPA)
-60%
TEQ B[a]P - Nisbett
-50%
TEQ B[a]P - Larsen
TEQ B[a]P - OEHHA
-40%
-30%
-20%
-10%
Zetor
C-1
Zetor
C-2
Iveco
10%
zatížení
Iveco
10%
zatížení
SCR
Liebherr
900 rpm
Průměr
změny
všech
testů
TEQ B[a]P - US EPA
Průměr změny TEQ B[a]P
0%
29
30
5
Toxikologické
zkoušky – vystavení
vystavení řezů
ezů plic potkanů
potkanů výfukovým plynů
plynům
Prof. JeanJean-Paul Morin, Université
Université de Rouen, Francie
31
• Ve vznětových motorech využívána bionafta, v koncentracích
jednotek procent, cca 30%, a 100%.
• Ve vznětových motorech jsou také využívány různé rostlinné oleje;
kvalita paliva má zásadní vliv na chod a životnost motoru a emise.
• Biopaliva – potenciál lokální výroby paliva a snížení CO2.
• Čistá bionafta snižuje hmotnost emitovaných částic o přibližně
polovinu, a emise karcinogenních polycyklických aromatických
uhlovodíků o desítky procent (70-80% dle měření autora).
• Bionafta je oproti naftě méně toxická, méně nebo srovnatelně
toxické se zdají být i výfukové emise, s občasným zvýšením toxicity.
• Hladina emisí motoru daná konstrukcí, seřízením, technickým
stavem a provozími podmínkami má větší vliv než použité palivo.
• Hodnocení dopadu nových paliv a technologií motoru na lidské zdraví
je jednou z priorit výzkumu v oblastech motorů i kvality ovzduší.
32
Přínosy autora
Souhrn a závěry
Toxikologické
ných kultur výfukovým plynů
zkoušky – vystavení
vystavení buněč
buněčných
plynům
Prof. Barbara Rothen, Université
Université de Fribourg, Švýcarsko
33
Vývoj měřicích zařízení a metodiky pro měření emisí za provozu
- 2 udělené a komerčně využité patenty USA, 1 patent ČR
- desítky aparatur využity výzkumnými skupinami po celém světě
- podíl na vzniku nového přístupu, promítnutého do legislativy USA,
plánované využití v legislativě EU
Laboratorní a PEMS studie využití biopaliv a emisí částic z biopaliv
* 7 impaktovaných publikací, 14 publikací SAE, > 100 dalších
* ohlasy Web of Science (63), Scopus (101), USPTO (30)
Výchova a vedení výzkumného týmu a projektů
• 2000-2005 Clean Air Technologies, Buffalo, USA
• 2008-2010 řešitel GAČR, spoluřešitel MDČR
• 2011-2016 EU LIFE+ projekt MEDETOX
(spoluřešitel)
• 2013-2015 GAČR projekt BIOTOX (spoluřešitel)
Využití PEMS v bakalářských, diplomových a
doktorských pracích na FD ČVUT, FS TUL, SUNY
Buffalo, Virginia Polytechnic Institute, North
Carolina State University, Texas Southern
University, Beijing Jiaotong University
34
Výhled dalšího působení
Vedení výzkumných projektů a skupin
Výuka (experimentální metody, zkoušení motorů, měření
emisí, měření za provozu)
Vedení bakalářských, diplomových a doktorských prací
Spalování pokročilých a experimentálních paliv
Měření emisí během reálné jízdy
Sledování a snižování dopadu nových technologií a paliv
na lidské zdraví
• spolupráce se zahraničními laboratořemi
• 2011 hostující profesor, AFHB, Biel, Švýcarsko (zkoušky filtrů
částic, vzorkování na buněčné kultury)
• vzorkování částic pro následné analýzy (projekty BIOTOX,
MEDETOX)
• mezioborové působení – udržitelná doprava, udržitelná energetika,
obnovitelné zdroje energie, nanočástice vznikající spalováním
35
6

1 Vliv biopaliv na emise částic ze vznětových motorů

Transkript

Podobné dokumenty

Biopaliva ve spalovacích motorech a jejich vliv na

2014-09 - MEDETOX

Výkonové struktury pro radiokomunikační obvody

2012-27 - MEDETOX

PR100 - JDK, spol. s ro

Celý článek

Untitled

o o o o o o-