2006-Kovar_SPZOseminar 315KB Sep 30 2007 10:32:28 PM

ALTERNATIVNÍ PALIVA A JEJICH PROBLEMATIKA:
PŘÍMÉ VYUŽITÍ RME A FAME
Prof. Ing. Jiří KOVÁŘ, CSc.
Katedra chemie, ČZU Praha
Úvod
Problematika nárůstu spotřeby energií ve světě zejména v průmyslově
vyspělých státech je stále tíživější, neboť průběh spotřeby energií představuje
exponenciální křivku, zatímco zdroje energií, zejména fosilní, rapidně ubývají,
což se týká hlavně ropy. Situace ve zdrojích ropy je o to komplikovanější, že
přes dvě třetiny ropných zdrojů je soustředěno kolem Perského zálivu do zemí
jako je Saudská Arábie, Irán, Irák, Spojené arabské emiráty, Kuwait a celkem 11
zemí ovládajících 75 % světové produkce ropy!
Stinnou stránkou stále stoupající spotřeby paliv je „green-house effect“, tj.
skleníkový efekt, který patří mezi globální problémy všech států, neboť např.
spálením 1 tuny motorové nafty vzniká 2,8 tun emisí tvořených především
oxidem uhličitým. Státy Evropské unie produkují ročně 3.300 milionů tun
skleníkových plynů, což pochopitelně se promítá do změny klimatu s
katastrofickým dopadem na celou lidskou společnost nejen v Evropě!
Právě proto se všechny státy snaží o náhradu části konvenčních
motorových paliv palivy alternativními, především biopalivy s pozitivní bilancí
CO2, což v praxi znamená, že množství CO2 vzniklé spálením biopaliva je menší
než množství CO2 spotřebované při fotosyntéze a tedy i tvorbě tohoto biopaliva!
Biopaliva mohou být různého druhu a skupenství: např. bioplyn, MEŘO,
FAME, biolíh, biomasa, která může zahrnovat celou paletu rostlinných
materiálů nebo biologicky využitelných odpadů z průmyslu, zemědělství a
domácností. Současná agrární politika v ČR předpokládá, že více jak 0,5
milionu ha orné půdy bude možno využít pro pěstování energetických plodin! A
právě v této oblasti se bude jednat o větší produkci a zastoupení těch druhů,
které můžeme vyprodukovat sami bez dovozu. Jsou to: rostlinné oleje, bionafta,
biolíh, bioplyn.
Hlavní pozornost v tomto článku věnujeme biopalivu pro zemědělce
nejvíce slibnému: řepkovému oleji a jeho methylesteru = MEŘO, které již delší
dobu známe a vyrábělo se u nás ve dvou velkých průmyslových výrobnách a
ve 14 malých výrobnách a mísilo se s běžnou motorovou naftou a distribuovalo
se ve formě bionafty s 31 % obj. MEŘO. Počínaje příštím rokem, tj. 2007 bude
veškerá motorová nafta obsahovat 5 % MEŘO.
Palivářské vlastnosti řepkového oleje a jeho problematika
Historie využívání rostlinných olejů pro vznětové motory
Rudolf Diesel, geniální vynálezce a konstruktér, už při testování jeho
motoru v r. 1895 používal tzv. „burákový olej“, tedy správně olej z podzemnice
olejné. Uvažoval tehdy i o další variantě paliva: uhelném prachu. Ovšem
nakonec se orientoval na palivo ropného původu: motorovou naftu, která
vykazovala v praxi nejmenší rozsah palivářských problémů!
Problémy spojené s využíváním rostlinných olejů ve vznětových motorech
v další historii byly natolik neúspěšné, že se přikročilo k chemické transformaci
rostlinného oleje získaného ať už ve formě řepkového, podzemnicového,
slunečnicového či oleje z dalších plodin, a to chemickou reakcí
s methylalkoholem. Tímto procesem zvaným trans-esterifikace se získal
methylester daného rostlinného oleje, takže dnes už běžně užíváme zkratky
těchto esterů:
•
MEŘO = methylester řepkového oleje, častěji se používá zkratka
anglická: RME
•
FAME = Faty Acid MEthylester, vyrobený esterifikací řady jiných
olejů, např. i živočišných, nebo olejů odpadajících z fritovacích
zařízení ve formě fritovacích olejů.
•
SOME = SOya-Methyl-Ester, ze sójového oleje, dnes dováženého
hlavně z USA.
Samozřejmě mohou existovat další estery rostlinných olejů produkovaných
z dalších olejnin, jedná se spíše o cenu a dostupnost základní olejnaté suroviny!
Trans-esterifikace rostlinných olejů může proběhnout jak působením
methylalkoholu, tak i ethylalkoholu, v tomto případě je česká zkratka MEŘO.
Ovšemže fyzikální a chemické vlastnosti jsou rozdílné, jak bude popsáno
v dalších kapitolách. Obecně se dá říci, že trans-esterifikací se vytvořilo
alternativní palivo takové kvality, které se svými fyzikálními, chemickými a
hlavně palivářskými vlastnostmi co nejvíce přibližuje původnímu palivu, tj.
motorové naftě, zejména pak po přidání 31 % obj. MEŘO do motorové nafty,
čímž vzniká „česká“ bionafta nebo také přesněji směsná nafta.
Palivářské vlastnosti methylesteru řepkového oleje (MEŘO) ve
srovnání s čistým řepkovým olejem
Nejprve je třeba znovu definovat pojem bionafty a MEŘO, protože pod
názvem „biodiesel“ se v němčině rozumí MEŘO, neboť naše bionafta by se
měla důsledně označovat jako směsné palivo, jak už bylo zmíněno v předchozí
kapitole. Zatímco pro MEŘO platí evropská a zároveň česká norma ČSN-EN
14214, pak pro směsnou naftu, čili naši českou bionaftu platí pouze česká norma
ČSN 656508. Ovšem pro tzv. purifikovaný řepkový olej z hlediska palivářského
neexistuje ani česká ani evropská norma, proto v následující tabulce č. 1
uvádím německou normu dle E DIN V 51605. V tabulce uváděná norma pro
methylester označovaná jako FAME ovšem není zcela totožná s naší původní
normou ČSN 656507, zejména pokud se jedná o výrobní suroviny, pak
v případě MEŘO se jedná pouze o methylester řepkového oleje, zatímco
v případě FAME se může jednat o methylestery také jiných olejů, např.
palmového oleje nebo živočišných kafilerních tuků nebo dokonce použitých
fritovacích olejů!! Bližší specifikace v další kapitole!
Srovnání základních vlastností MEŘO a purifikovaného řepkového oleje
vyplývají z následující tabulky č.1.
Tabulka.1: Základní parametry FAME a purifikovaného řepkového oleje
FAME dle ČSN-EN14214
Řepkový olej dle E DIN
V 51605
860 – 900
900 – 930
3,5 - 5,0
36
Výhřevnost kJ/kg
38.000
36.000
Bod vzplanutí °C
min. 120°
min. 220°
Karbonizační zbytek dle
Conradsona % hm.
max. 0,3
N.S
Cetanové číslo
min. 51
min. 39
Voda mg/kg
max. 500
max. 500
Číslo kyselosti mg KOH/g
max. 0,5
max. 2,0
Celkové nečistoty mg/kg
max. 24
max. 24
Obsah popela %
max. 0,02
max. 0,01
Obsah Na + K mg/kg
max. 5,0
N.S.
Obsah Ca + Mg mg/kg
max. 5,0
max. 20
min. -20 pro zimní obd.
N.S.
Jodové číslo g I2/100g
max. 120
N.S.
Sulfát. popel, % hm.
max. 0,02
N.S.
min. 51
45
Parametry
Hustota kg/m3
Kinematická
mm2/s
viskozita
CFPP °C
Cetanové číslo
Dříve však než se budeme věnovat využití čistého řepkového oleje,
probereme palivářské vlastnosti samotného FAME, resp. MEŘO, pro které už
dnes existuje výše uvedená norma.
Palivářské vlastnosti methylesteru řepkového oleje MEŘO, resp,
FAME
Začneme nejprve srovnáním dvou norem: v tab. č. 2 je evropská a zároveň
česká norma pro současnou motorovou naftu ČSN-EN 590 (2004)-NS.
Tabulka 2: ČSN-EN 590 (2004)-NS
Parametry
rna hmotnost kg/m3
Kinemat. viskozita, mm2/s
Destilační zkouška:
do 250 °C předestiluje % obj.
do 350 °C předestiluje % obj.
95 % obj. předestiluje při
Obsah vody, ppm
Bod vzplanutí P.M. °C
Obsah síry, ppm
CFPP pro F. naftu, °C
TVP pro F. naftu, °C
Korozivní zkouška na měď, st. koroze
Karbonizační zbytek dle CCR, % hm.
Obsah nečistot, mg/kg
Cetanový Index
Mazivost, šířka oděrové stopy v mikrom.
Polycyklické aromatické uhlovodíky, % hm.
Výhřevnost, MJ/kg
FAME dle ČSNEN14214
820 - 845
2,0 - 4,5
65 max.
85 min.
360°C max.
200 max.
55 min.
50 max., resp.10
max.
-20 min.
-8 min.
1 max
0,3 max.
24 max.
51 min.
460 max.
11 max.
42,6 min.
Řepkový olej
dle E DIN
V 51605
EN ISO3675
EN ISO4264
EN ISO3405
EN ISO 12937
EN 22719
EN ISO 14596
EN 116
ISO 3015
EN ISO 2160
EN ISO 10370
EN 12662
EN ISO 5165
EN ISO12156
IP 391
Výhody při používání MEŘO, resp. FAME
1) Biologicky rozložitelné palivo dle CEC L-33- T-93.
2) Vyrovnaná uhlíková bilance, kdy od asimilačního efektu až po spálení
paliva je produkce CO2 nižší na výstupu než na vstupu. Nevzniká
skleníkový efekt - hromadění CO2.
3) Je tu morální i faktický doklad o možnosti přežití spalovacího motoru i v
příštím století.
4) Je to alternativní palivo velmi podobné motorové naftě. Dává možnosti
rozvoje zemědělské výroby a využití tuzemských zdrojů.
5) Je možno zásobovat ekologicky ohrožené oblasti CHKO a velkých center
tímto palivem.
6) Toto palivo je bez síry, bez aromátů, bez PAH.
7) Kouřivost vznětových motorů klesá méně jak na 50 % oproti tradičnímu
palivu.
8) Parametry jsou přesně normovány dle ČSN-EN 142124 + AC.
Nevýhody:
1) Jsou jen omezené možnosti výroby maximálně do 20 % celkové spotřeby
paliva, uvažujeme-li omezenou ornou plochu pro produkci řepky.
2) Toto palivo 1. generace má menší výhřevnost v MJ/kg 37,8 MJ/kg pro
MEŘO, komerční EHK nafta 43,5 MJ/kg a bionafta druhé generace, tj.
směsná nafta má 42,1 MJ/kg, t.j. v poměru EHK : MERO:
NATURDIESEL = 100:86,8 : 96,8. To znamená že stoupá spotřeba
přibližně o 7,5 – 8 %.
3) Vykazuje nedobrý vliv na motorový olej, probíhá tzv. „želatinizace
oleje“, umožní pouze 50% interval výměny oleje!
4) Vadnutí výkonu motoru, nutnost dekarbonizace motoru.
5) Agrese vůči plastům a vůči laku.
6) Chladové vlastnosti jsou horší, nutnost do-aditivace depresanty ve vyšší
dávce zejména pro zimní podmínky, kdy CFPP má být - 20oC minimálně!
Rozdíly mezi FAME a RME:
Zatímco podle normy ČSN EN 14214 by neměl existovat rozdíl mezi
FAME a RME, v praxi však jsou rozdíly zejména po stránce působení na motor
a jeho olejovou náplň značné.
Vyplývá to zejména ze charakteru surovin používaných pro výrobu FAME:
•
Zatímco pro výrobu RME připadá v úvahu pouze řepkový olej, pak
pro výrobu FAME se mohou používat různé oleje více nebo méně
vhodné, např. další levnější rostlinné oleje, které jsou méně vhodné,
nebo mají jisté závady pro kuchyňské použití. Dále se používají oleje
mající vysoký podíl methylesterů nasycených kyselin, např. palmové,
což palivářské praxi způsobuje řadu závad: ucpávání palivových filtrů
a špatné chladové vlastnosti. Slunečnicový olej a jeho methylester
působí rovněž palivářské potíže, zejména z hlediska nízké oxidační
stability a tedy následné tvorby kalů, laků a pryskyřic, a to jak už při
skladování tohoto paliva, tak zejména při spalovacím procesu
v motoru, které se konkrétně a to velmi nepříznivě projevuje ve ztrátě
komprese v důsledku karbonizace drážek pístních kroužků, jejich
váznutí až nakonec zapečení a totální ztráty komprese. Opět se tu
projevuje negativní vliv na nízkoteplotní vlastnosti těchto paliv, a to i
v nízkých koncentracích uvedených FAME.
•
Ještě horší jsou palivářské vlastnosti FAME vyrobených ze
živočišných tuků zejména kafilerních, které jsou označovány jako
VUOME (Vaste Used Oils Methyl Ester). Shora uvedené negativní
vlastnosti se tu stupňují a navíc karbonizační účinky na pístovou
skupinu „přispívají“ ke kratší její životnosti a nutnosti dekarbonizace
motoru. Ovšem daleko negativnější je působení na vstřikovací
soupravu vznětových motorů, zejména na vstřikovací trysky a jejich
karbonizaci, což často končí havárií tohoto zařízení, které se bohužel
nedá opravit, jen vyměnit!
•
Nejhorší vlastnosti palivářské vykazuje FAME vyrobené
z kuchyňsky použitých fritovacích olejů čili populárně řečeno:
„friťáků“, jejichž množství se v posledních letech exponenciálně
zvyšuje zároveň se změnou stravovacího menu (pommes-frittes a další
podobný sortiment jídel). Ovšemže i tady jsou v kvalitě
vykupovaných „friťáků“ velké rozdíly, jak jsem si sám zjistil např. u
velkých renomovaných firem, které při přípravě uvedených jídel
respektují teplotu a dobu používání fritovacích olejů, zatímco
v malých bufetových stáncích se použitý fritovací olej podobá spíše
tekoucímu asfaltu. V tomto případě jsou negativní palivářské
parametry vystupňovány do té míry, že vyrobené FAME v řadě
důležitých parametrů nesplňuje uvedenou normu. Zejména je to
totálně narušená oxidační stabilita spojená s vysokým karbonizačním
zbytkem (= C.C.R.) a tvorbou kalů, laků, pryskyřic, jejichž množství
negativně ovlivňuje interval výměny oleje na 40 % až max. 50 %!
Jakým způsobem čelit vyjmenovaným negativním účinkům FAME ?
1)
Především volbou a výběrem FAME, resp. RME: V každém případě
respektuji analytický protokol provedený renomovanou nezávislou firmou,
kde sleduji zejména ty parametry, které buď se značně přibližují nebo
dokonce přesahují normu ČSN EN 14214. Nedám se ovlivnit nabízenou
nebo spíše podbízivou cenou paliva! Dám raději přednost řepkovému RME
než FAME z fritovacího oleje!
2)
Záleží-li mi na dlouhé životnosti motoru a jeho příslušenství, pak
používám pouze příměs FAME. Praxe ukazuje, že v rozmezí od 5 % obj.
do 15 % obj. FAME jsou negativní vlastnosti této směsi minimální! Setkal
jsem se s řadou případů, kdy majitel vozidla se 100% podílem FAME ve
formě methylesteru fritovacího oleje mi sdělil, že mu už stejně nezáleží na
nějaké větší životnosti motoru, protože se jedná o starý a „ojetý“ motor!
3)
Negativním účinkům se už dnes dá čelit promyšlenou a cílenou doaditivaci FAME či jeho směsí. V tomto případě uživatel se obrátí na
fundovaného odborníka v oboru aditivních přípravků, zejména zaměřených
na komplexní „package“ čili balík additiv, kde dominantní zastoupení mají
mít zejména D-D-additiva (=detergenty a disperganty), dále A-A-additiva
(tj. antioxidanty a antikorodanty). V zimním období musí být tento „balík“
additiv doplněn ještě účinným depresantem, aby tak hodnota CFPP se
přibližovala -20 oC! V tom případě bude provozovatel vozidla provádět
sám do-additivaci paliva vždy po natankování daného množství paliva
známým a předem určeným množstvím přípravku doporučeného additiva.
4)
Negativní účinky dále výrazně ovlivňuje teplotní režim motoru a
charakter výkonového zatížení motoru. Proto bez obav mohu doporučit
použití FAME, resp. RME pro stabilní motory, např užívané
v kogeneračních agregátech, kde je ustálený optimální teplotní režim
motoru, prakticky ustálená pracovní doba a optimální zátěž motoru.
Rovněž v tomto případě jako kladný faktor se uplatňuje objem motoru, tzn.
velkoobjemové motory se stálým teplotním zatížením jsou vhodné i pro
použití ne zcela ideálního FAME, vyrobeného např. z méně vhodné
suroviny, jak už bylo uvedeno výše!
5)
Krácení intervalu výměny motorového oleje. A právě opačné poměry, tj.
neustálený teplotní režim daný krátkými jízdami a delšími prodlevami,
který je typický pro osobní automobily se vznětovým motorem v městském
provozu, kde jednotlivé provozované trasy jsou kratší než 10 km a kde se
provozuje ten nejméně vhodný provozní režim, označovaný jako
„STOPandGO“, tzn. neustálé střídání akcelerace a decelerace a následným
stáním. Tento režim je zhoubný pro všechny typy vozů ať už poháněné
vznětovým či zážehovým motorem a znamená nejen negativní dopady
uvedené v předchozích odstavcích, ale navíc soustavným ředěním a
celkovým znehodnocením motorového oleje palivem, které se nedokonale
spaluje v akceleračním režimu motoru. To je tedy doprovázeno větším
opotřebením motoru v důsledku porušení souvislé mazací vrstvy ať už ve
válcích motoru či v kluzných ložiscích klikových či ojničních! To se
zejména „podepisuje“ na životnosti tzv. „LONG-LIFE“ olejů, kterým
v důsledku olejářské reklamy majitelé a provozovatelé věří, že jim vydrží
až třeba 50.000 km! OMYL!! Při takovém výše uvedeném režimu STOPandGO – nemůže obstát sebelepší syntetický LOG-LIFE olej, neboť
musí být znehodnocen při tomto režimu velice rychle a účinně palivem a
vedlejšími produkty nedokonalého spalování!
Proto považuji za daleko rozumnější způsob provádění výměny olejů a
volbu druhu motorového oleje ten, který se ustálil v USA. Používají
motorový olej běžné jakosti, který je v USA v ceně balené pitné vody, ale
mění jej častěji, např. při doplňování palivové nádrže si zároveň nechají
odsát olej a nahradit novým, přičemž intervaly výměny nedosahují často ani
5.000 mílí. Odtud tedy vyplývá i pro naše uživatele nestandardních paliv
nutnost častější výměny oleje, v našich poměrech třeba až na 50 % běžného
intervalu!! Přesnějšímu určení intervalu by pomohla olejová analýza anebo
ještě lépe tzv. „ON BOARD DIAGNOSTIC“, která by ovšem do svého
softwaru musela zahrnout i kvalitu paliva, což se zatím pochopitelně
nestalo. ON BOARD DIAGNOSTIC je realizována u některých dražších
typů osobních vozů velmi úspěšně (např. BMW sedmičkové řady), a přesto
nepotřebuje žádný tribodiagnostický přístroj! Sleduje se tu jen výstupní
teplota oleje, doba trvání jednotlivých rozpětí otáček motoru, výkonový
režim a jeho doba trvání a celková kilometráž od výměny oleje! Pak se
najednou, zejména řidiči, který jezdí stylem: „třista z místa“, rozsvítí
velkoplošná signálka, která mu nemilosrdně sděluje, že se musí zastavit co
nejdříve v servisu, kde mu po přečtení záznamů jeho jízd sdělí kategorickou
nutnost výměny oleje, přestože má najetý malý počet km!
6) Údržba palivové nádrže a čistoty paliva celkově. Většina motoristů, ale
bohužel i servismanů si myslí, že to je záležitost jen palivového filtru!
OMYL!! Především je to záležitost údržby palivové nádrže a samozřejmě i
údržby čistoty podzemních nádrží velkých stanic, což ovlivňuje kvalitu
tankovaného paliva! Jak se může měnit kvalita paliva v nádrži auta či
jiného mobilního prostředku, zejména při používání alternativních paliv pro
vznětové motory, jako např. FAME, RME či řepkového oleje? Tato otázka
se týká i vozidel s benzínovým motorem a tedy problematiky čistoty jejich
benzínových nádrží.
Údržba palivové nádrže a čistoty paliva.
Tak především si probereme ty zhoršující faktory, které se týkají všech
palivových nádrží bez rozdílu v palivu. Jedná se o vliv vody na palivo!
Jak se dostane voda do paliva? Trojí cestou:
1)
Vodu v palivu koupíme, zejména u těch „benzínek“, kde se buď čištění
podzemních nádrží neprovádí vůbec nebo jen nahodile. Pokud vidíme
zásobovací tanker po skončení stáčení, pak raději, pokud můžeme, jedeme
rychle pryč! Nečistoty a voda zvířená při stáčení tankeru nám přivádí
spoustu nežádoucích nečistot a vody!
2)
Voda, zejména na deštěm pokropených vozovkách se dostává netěsnostmi
do palivové nádrže zvláště u těch nádrží, kam se přivádí při tankování
palivo přívodní hadicí umístěnou nešťastně tak, že gejzír zvířené vody
z vozovky proniká kolem netěsných spojů hadice! Tento způsob je už dnes
výjimečný a týkal se některých dříve vyráběných vozidel, např. ŠKODA
1000MB.
3)
Nejčastější a nejběžnější způsob získávání vody v palivové nádrži vozidla
se týká kondenzace vodních par obsažených ve vzduchu, který se musí
dostávat do vyprazdňované nádrže! Platí: čím častěji jezdíme
s poloprázdnou palivovou nádrží, tím více vody si natáhneme ať
chceme či ne! Zejména vysoký obsah vodních par je v přechodových
měsících jara či podzimu. Princip přívodu vody spočívá v rozdílu rosného
bodu během dne a během noci.V důsledku kondenzace vzdušné vlhkosti
během chladné části dne dostává kondenzací „něco málo“ volné vody do
nádrže ve formě kapek.
Jakou formu přijímá voda v palivu?
Tak především formu volné vody, která vlivem vyšší měrné hmotnosti
klesá na dno nádrže a neslučuje se s palivem.Vytvoří separátní vrstvu na dně
nádrže. Druhá forma vody je voda emulgovaná v palivu, což se vytvoří zejména
v těch případech, kdy palivové čerpadlo je umístěno do nejnižší části nádrže a
tím dochází při nasání vody k její emulzifikaci.
Jak působí voda na palivo, zejména na alternativní paliva?
Volná voda v důsledku separace v palivové cestě působí vždy rušivě. U
benzínových motorů působí vynechávání zážehu takovéto směsi, avšak u
naftových motorů může větší množství volné vody způsobit vážnou poruchu až
havárii vstřikovacího zařízení, zejména vstřikovacích trysek, které musí být
mazány naftou a v případě vniku volné vody a ztráty mazacího filmu vznikají
svarové můstky, což znamená konec činnosti a havárii, která se dá opravit jedině
drahou výměnou!
V případě kontaktu vody zejména s methylestery ať ve formě FAME či
RME probíhá už v nádrži chemická reakce vody a esteru, přičemž vznikají
volné kyseliny, které trvale znehodnotí palivo zvýšením čísla kyselosti nehledě
na korozívní působení na zinkový povrch nádrže a na hliníkové díly
v dopravních cestách a tvoří se obtížná zinečnatá a hlinitá mýdla, která zalepují
ventily a dopravní cesty a rovněž brzy zalepí celý palivový systém včetně filtru
paliva, který přestává být průchodný!! Rovněž tak vznikají draselná a sodná
mýdla při kontaktu s těmito ionty.
Odtud tedy vyplývá kategorický požadavek na soustavné odvodňování
palivové nádrže, což se u některých nádrží dá provádět, ale u většiny současných
nádrží osobních vozidel se vůbec nedá provádět! U velkých nádrží nákladních
vozidel mají odvodňovací šroub umístěný v nejnižší části nádrže, takže se
periodicky dá nádrž drenážovat, což ovšem u nádrží osobních vozidel dělat
nejde, protože nemohou mít spádové tvarování v důsledku maximálního
vyplnění určeného prostoru. Některé dražší typy vozidel ovšem jsou vybaveny
elektronickou indikací vody ve spodním prostoru palivového filtru (např.
VOLVO)!
ŘEPKOVÝ OLEJ, PROBLEMATIKA JEHO
PALIVÁŘSKÉHO VYUŽITÍ
Prof. Ing. Jiří KOVÁŘ, CSc.
Katedra chemie, ČZU Praha
Obecně známé výhody
Obecné výhody používání purifikovaného řepkového oleje jsou známé a byly
již u předchozích alternativních paliv vyzdviženy:
•
Nezávislost na ropných palivech.
•
Odstranění skleníkového efektu.
•
Obnovitelný zdroj paliva v našich podmínkách.
•
Bioenergetické výstupy jsou mnohem vyšší než vstupy energií nutné
pro pěstování.
•
Zmenšení závislost zemědělské produkce na cenách ropných paliv,
vzestup lukrativnosti zemědělské činnosti a získání vedlejších
produktů, např. pokrutin pro živočišnou výrobu.
•
Snadná biologická odbouratelnost řepkového oleje v půdě oproti
ropným palivům. Rovněž působen na vodní zdroje je v nízké
koncentraci nezávadné.
•
Nízký obsah síry.
•
Minimální škodlivost emisí při spalování, absence kancenogenních
látek obsažených v ropných emisích a emisích naftových motorů.
Nevýhody a problémy při palivářském použití:
1)
Nižší výhřevnost a tudíž vyšší spotřeba než u klasické motorové nafty,
viz tabulka na str. 24.
2)
Horší chladové vlastnosti.
3)
Řádově vyšší viskozita řepkového oleje oproti naftě.
4)
Oxidační stabilita řepkového oleje je příčinou tvorby kalů při
skladování, ale zejména při spalování vznikají snadno pryskyřice,
laky a karbonové úsady blokující nejen vstřikovací trysky, ale i drážky
pístních kroužků, což je příčinou ztráty komprese motoru.
5)
Podobně jako u FAME probíhá vlivem produktů nedokonalého
spalování „želatinizace“ motorového oleje a odtud nutnost krácení
intervalu výměny oleje!
6)
Horší filtrovatelnost řepkového oleje, zvláště pak přidruží-li se vyšší
obsah vody v palivu.
7)
Obecně se dá předpokládat častější výměna filtru paliva spojená
s údržbou palivové nádrže.
Výčet těchto nevýhod, který není úplný, vyvolal nutnost úprav jak motorů
tak i paliva. Dnes už existuje řada firem nejen v Německu, ale také i u nás, které
nabízejí možnost přestavby na řepkové palivo. Jedná se většinou o dvoupalivové
systémy, používající na rozběh a doběh klasickou naftu.
Úpravu traktoru na spalování řepkového oleje testovali v ČR také na
Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy zemědělské a lesnické
university v Brně pod vedením Doc. Ing. Sedláka, CSc.
Úprava traktoru pro spalování řepkového oleje
Přestavbu traktoru na spalování řepkového oleje provedla firma Gruber
Landtechnik. Jedná se o dvou palivový systém se dvěma nádržemi. Na motoru je
upravena pouze nízkotlaká větev palivového systému, jak je patrné ze schématu.
Jiná úprava na motoru nebyla provedena.
Pokud řidič zvolí přepínačem provoz motoru na řepkový olej, výměník
tepla (chladící kapalina - řepkový olej) ohřívá olej přiváděný z nádrže. Při startu
je olej ohříván také elektrickým topným tělesem. Po dosažení teploty 60 °C,
elektronická jednotka přepne trojcestné ventily a do vysokotlakého čerpadla je
přiveden olej. Druhý trojcestný ventil propojí přepad z čerpadla s příslušnou
nádrží. Asi minutu před zastavením motoru řidič musí přepnout přepínač na
provoz na naftu, aby došlo k naplnění nízko i vysokotlaké části palivového
systému naftou. Jestliže to neučiní je upozorněn po zastavení motoru
akustickým signálem.
Další odkazy, které poskytuje německý autor Eichler, publikujeme
v následující stati.
V roce 1989 představila německá firma Eicher zemědělcům traktor s
tříválcovým motorem o výkonu 80 kW na řepkový olej. Jde o tzv. vířivý motor,
ve kterém je do vzduchu vířícího ve šroubovici v kulovém vybrání pístu
vstřikováno samočistící čepovou tryskou palivo. Firma Motorenfabrik Manheim
upravuje motory na řepkový olej zařazením předkomůrky. Nevýhodou
předkomůrkových nebo vířivých motorů je vyšší spotřeba a to až o 15 %. Firma
Heizomat Hilpolstein (SRN) optimalizuje Elsbettův motor s přímým
vstřikováním se samočistícími kuželovými vstřikovacími tryskami a s použitím
vyšších vstřikovacích tlaků. Tento motor se odlišuje zvláštním přívodem
vzduchu, umožňujícím dosáhnout horkého spalovacího centra a studeného obalu
ve válci, a proto je tento motor též nazýván „duotherm“. Firma nabízí speciální
přestavbové sady. Přestavba je však finančně náročná, na jeden válec činí
náklady cca 3 000 DM a další náklady na kompletaci celého motoru 5 000 DM.
Německé firmy DMS Schönebeck a TMW Nordhausen vyrábějí stabilní motory,
používající jako palivo libovolný surový rostlinný olej. Tyto motory v agregaci s
generátorem elektrického proudu jsou používány v blokových kotelnách a
odpadní teplo se využívá k ohřevu vody. Toto zařízení je např. instalováno
poblíž českých hranic v bioteplárně rakouské obce Kautzen a provozovatelem je
sdružení farmářů, kteří dodávají olejnatá semena a odebírají pro krmivářské
účely kvalitní pokrutiny po lisování za studena.
K získávání oleje jsou v zahraničí nabízeny malé kontinuálně a pomalu
pracující šnekové lisy s velkými šneky a podélně uspořádanými pruhovými síty.
Tyto lisy s výkonností 10 – 100 kg/hod jsou nastavitelné pro zpracování
jednotlivých druhů semen na požadovaný stupeň lisování a jsou opatřeny
různými filtrovacími systémy. Vzhledem k nižší výtěžnosti ve srovnání s
průmyslovými lisovnami je možno při lisování řepkového semene získat 70 %
hmotnosti pokrutin s krmnou hodnotou sójového šrotu. Z českých firem nabízí
odpovídající lisovací zařízení např. firma Farmet v České Skalici.
Z ekologického hlediska jsou biopaliva na bázi rostlinných olejů z řady
aspektů výhodnější než motorová nafta. Bioenergetické výstupy biopaliva z
řepkového oleje jsou minimálně 2,5 krát vyšší než ostatní vstupy energií (včetně
pěstování). Konkurence biopaliv vůči motorové naftě závisí na daňovém
zatížení. Rostlinné oleje ve světových cenách jsou totiž minimálně 3krát dražší
než motorová nafta.
Před několika lety byla
Měrná spotřeba
realizována exkurze v Bavorsku.
[kg/h]
30,0
Cílem bylo se přesvědčit o
25,0
výhodách substituce motorové
20,0
nafty řepkovým olejem. Exkurse
15,0
začala večer, kdy zemědělec
10,0
naplnil zásobník pomaloběžného
5,0
0,0
lisu asi 100 kg řepkového semene.
NM
RME
řepkový olej za
Druhý den ráno přefiltroval
studena
získaný olej přes sítko s
Emise uhlovodíků
plachetkou do dvou kanistrů. Větší
nalil do palivové nádrže traktoru, [g/kWh] 0,030
menší do nádrže osobního
0,025
automobilu Opel vybaveného
0,020
0,015
Elsbettovým motorem. Pokrutiny
0,010
(výlisky) smíchal s obilním šrotem
0,005
a připravil krmivo pro dojnice.
0,000
Toto krmivo mu zabezpečovalo
NM
řepkový olej za
RME
studena
nejvyšší užitkovost dojnic v celém
regionu.
Emise CO
Další ekonomické přínosy jsou [g/kWh]
0,6
v úspoře nakupovaných motorových
0,5
paliv. Vlastní náklady na přípravu
0,4
paliv nedosahují ani poloviny
0,3
0,2
nákladů ve srovnání s daňově
0,1
zatíženou motorovou naftou. Další
0,0
výhodou je i úspora silniční daně, od
NM
řepkový olej za
RME
studena
které jsou automobily i mobilní
agregáty provozované na rostlinné
EMISE NOx
oleje osvobozeny.
[g/kWh]
Motorová biopaliva jsou
nejen
ekologická,
nenavyšují
skleníkový efekt, neprodukují
zdravotně škodlivé emise, ale
vytvářejí možnost provozování
motorových agregátů a automobilů
po vyčerpání fosilních paliv.
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
NM
řepkový olej za
studena
RME
Profesor Munack at alt. 2006
provedl řadu emisních měření při
použití řepkového oleje na motoru
MERCEDES
OM
906
LA.
Výsledky jsou uvedeny v grafech.
Výsledky měření
Emise částic
[g/kWh]
0,10
0,08
0,06
0,04
Úprava motoru na spalování
0,02
rostlinného oleje nezměnila podle
0,00
Sedláka et. alt. objemovou spotřebu
NM
řepkový olej za studena
RME
hodinovou, změnila se pouze
hmotnostní spotřeba vlivem rozdílné měrné hmotnosti řepkového oleje a
motorové nafty. Nižší výhřevnost řepkového oleje se projevila nižším
naměřeným točivým momentem motoru a tudíž i nižším výkonem. Výhřevnost
řepkového oleje byla ve srovnání s motorovou naftou o 14,2 % nižší. Nejvyšší
točivý moment byl o 13,9 % nižší a maximální naměřený výkon byl o 13,5 %
nižší. Měrná spotřeba při použití řepkového oleje byla o 25,9 % vyšší!
Diskuse
Obdobné výsledky ve snížení výkonu naměřili také na universitě v Roztoku
(Hassel et alt. v r. 2004.) Výkon většiny traktorů klesl o 5 až 15 %. Podobné
výsledky získal i MAURER z university v Hohenheimu v r. 2003, který při
zkouškách směsi motorové nafty s řepkovým olejem naměřil o 17 % vyšší
měrnou spotřebu!
Dále bylo konstatováno, že při nízkém zatížení motoru jsou ve válcích
motoru nepříznivé podmínky pro dokonalé spalování řepkového oleje, což vede
k poškozování motoru a jeho příslušenství! Dochází k rychlému ředění
motorového oleje palivem, resp. jeho nedokonale spálenými produkty, dále
dochází k nárůstu karbonu na vstřikovacích tryskách a dále roste karbon na
koruně pístu, ale zejména v drážkách pístních kroužků, což se projevuje jejich
váznutím a ztrátou komprese, snížením výkonu a zvýšením spotřeby!! Celkem
se zvyšuje poruchovost, resp. počet havárií motoru a jeho příslušenství!! Ze 111
sledovaných traktorových motorů v Rostocku během 4 let pracovalo pouze 30
bez závad, což je necelá třetina!!
Vážné poškození motorů nastalo v 10 případech!!
Závěr
•
Při aplikaci řepkového olej na běžný naftový motor vždy probíhá
průběžně karbonizace motoru a jeho příslušenství, zejména
vstřikovacího zařízení !
•
Vždy dochází ke zkrácení intervalů výměny oleje v důsledku tzv.
želatinizace oleje.V každém případě při volbě paliva, ať už RME,
FAME či čistého řepkového oleje, budeme muset krátit intervaly
výměny motorového oleje min. na 50 %!!
•
Palivové hospodářství v případě používání řepkového oleje musí být
v duálním uspořádání, tzn. start a konec činnosti musí být provedeno
s běžnou motorovou naftou. Dnes jsou ke koupi již hotové sety pro
toto uspořádání.
•
Je zapotřebí důsledná do-additivace řepkového oleje účinnými A-A
additivy a zejména D-D additivy, což znamená mít k dispozici
speciální „package“ additiv „šitý na míru“ pro řepkový olej!
•
Úspěch při používání těchto biopaliv je podmíněn vhodným typem
spalovacího prostoru. Zatím největší úspěch vykazuje duální systém
spalování dle ELSBETTa. Používání řepkového oleje jako paliva
v běžném motoru bez úprav je doprovázeno
předčasnou
karbonizací jak motoru, tak jeho příslušenství!!
•
V případě užití řepkového oleje, resp. samotného RME či FAME, je
nutné respektovat typ motoru, charakter provozu a další požadavky
uvedené již v textu. Samozřejmě se poradíme se zástupci značkového
servisu. V závěru tohoto článku je uveden seznam typů motorů
osobních, nákladních a dalších dle výrobních značek, u kterých je
možné použití výše jmenovaných biopaliv!
Seznam typů motorů, kde jejich výrobce povoluje použití methylesteru, tj.
MEŘO či FAME:
Nákladní auta
Ročník výroby:
Nutné
vybavení:
Značka:
Typ:
IVECO
všechny typy
nedoporučuje
MAN
všechny typy
zkrácení
intervalu
výměny na 1/2
MERCEDES
všechny typy
není nutné
RENAULT
všechny typy
nedoporučuje
VOLVO
všechny typy
nedoporučuje
se
kromě 5% směsi
RME
SCANIA
všechny typy
není nutné
Osobní auta
Značka:
Typ:
Ročník
výroby:
Nutné vybavení:
AUDI …
A2 TDI,
od 9/1995…
není nutné
A3, A4, A6, A8 TDI
od 9/95
nutné dovybavení RME
MERCEDES
C a E třída
modely T
nutné dovybavení RME
SEAT
Cordoba…
od 2003
nutné dovybavení RME
Ibiza
od 2004
nutné dovybavení RME
Toledo
od začátku
nutné dovybavení RME
Leon
od 2005
nutné dovybavení RME
Fabia
od začátku
není nutné
Octavia
od 2004
nutné dovybavení RME
Superb
od začátku
není nutné
ŠKODA
nedoporučuje se kromě 5% směsi RME
VOLVO
Bora
VW
Caddy
není nutné
od 3/1996
Golf V
nutné dovybavení RME
Passat
od 9/1995
Polo
od 9/1995
Sharan
od
modelového
roku 1997
Vento
.od 1996
Literatura
1)
SEDLÁK, P. et alt: Vznětový motor na řepkový olej. XXXVII.
Mezinárodní konference KOKA 2006, ČZU Praha
2)
HASSEL, E. et alt.: Einsatz von Rapsöl in Traktoren. Universität
Rostock 2004
3)
MAURER, K.: Motorprüflauf mit Rapsöl-Diesel-Mischungen.
Schlussbericht, Universität Hohenheim, 2003
4)
MUNACK, L. et alt.: Ergebnisse des Rapsöl-Betriebes eines LKWMotors. FAL, Bundesforschungsanstalt fur Landwirtschaft 2006
5)
ČAPPO, zpráva v r. 2006: Pohled petrolejářského průmyslu na využití
biopaliv v dopravě v České republice. Vydalo ČAPPO v r. 2006