Biopaliva ve spalovacích motorech a jejich vliv na

Transkript

Biopaliva ve spalovacích motorech a
jejich vliv na výfukové emise
Michal Vojtíšek
Fakulta strojní ČVUT v Praze
[email protected]
tel. (+420) 774 262 854
Seminář Přírodovědecké fakulty UK
Vliv biopaliv
na emise
spalovacích motorů
4.
března
2015
Michal Vojtíšek – Seminář PřF UK, 4.3.2015
1
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
Vliv biopaliv na emise spalovacích motorů
2
Částice ve výfukových plynech
naftového motoru
Liati A., Dimopoulos P.E., Combustion and Flame 157 (2010) 1658–1670.
3
Typické velikostní spektrum částic
- vznětové motory
Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 5/6, pp. 575-588, 1998
4
Zachycovací účinnost dýchacího systému
A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 2008
5
Částice a ozon v přízemních
vrstvách atmosféry jsou příčinou
cca 406 tisíc předčasných úmrtí
v EU ročně
(dopravní nehody „jen“ 39 tisíc)
Statistiky ČR:
částice 7379 (Puklíková, Hygiena 2013)
nehody 583 (statistiky Policie ČR)
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.
6
Emise skleníkových plynů,
trendy koncentrace CO2,
trendy průměrné teploty
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
7
Biopaliva v ČR
Jednotky % etanolu v benzinu
Historické využití:
Parní stroj (dřevo)
Dřevoplyn
Jednotky % FAME v naftě
E85 (70-85% etanol)
B100 (čistá bionafta)
B30 (směsná nafta)
„Pokoutné“ spalování rostlinných
olejů různých kvalit
Výzkumné a demonstrační účely
Bioplyn (metan)
Dimetyléter
n-butanol, iso-butanol
...
http://www.km-prona.cz/Seznam_cerpacich_stanic.htm?stanice=Cerpaci_stanice_-_Byst#seznam
8
Koloběh uhlíku u rostlinného oleje
Sluneční
energie
CO2
J
LE
O
id ny
lo
p
té
a
n
ej
l
O
DOPRAVA
PO
KR
UT
IN
Y
TEPLO
Živiny (popel)
CO2
9
Výroba bionafty – energetická náročnost
Alkohol, katalyzátory
Glycerin, vedlejší produkty
Transesterifikace
Doprava do rafinerie
Rostlinný olej
Doprava ke spotř
spotřebiteli
Alkylestery mastných kyselin
(např. metylester řepkového oleje)
- BIONAFTA
Současná energetická náročnost:
0.4-0.5 MJ z fosilních zdrojů na 1 MJ v bionaftě,
převážně na výrobu metanolu a výrobu MEŘO
(ropná nafta: 1.15 fosilních MJ / MJ nafty)
Odhady energetické náročnosti se liší !!!
Záleží na technologii a zda k výrobě paliva
energii z fosilních či obnovitelných zdrojů.
10
Biopaliva jako podpora zaměstnanosti a místní ekonomiky
Dovážená ropa
- Peníze odtékají do zahraničí
- Pracovní místa vytvořena jinde
- Zisky odtékají nebo „globalizovány“
- Schodek zahraničního obchodu
?
Místní produkce biopaliv
- Zaměstnanost na venkově
- Náklady na výrobu paliva
podporují ekonomiku v regionu
- Zisky zůstávají v regionu
- Rozvoj ekonomicky slabších
oblastí
11
Výroba paliva: bionafta vs. rostlinný olej
Alkohol, katalyzátory
Glycerin, vedlejší produkty
Transesterifikace
Doprava do rafinerie
Rostlinný olej
Doprava ke spotř
spotřebiteli
Alkylestery mastných kyselin
(např. metylester řepkového oleje)
- BIONAFTA
Přímé použití jako palivo
Současná energetická náročnost:
0.13-0.36 MJ z fosilních zdrojů na 1 MJ
(bionafta: 0.4-0.5 fosilních MJ / MJ v bionaftě,
Ropná nafta: 1.15 fosilních MJ / MJ nafty)
12
Wang et al., Environ. Res. Lett. 7 (2012) 045905
http://iopscience.iop.org/1748-9326/7/4/045905/pdf/1748-9326_7_4_045905.pdf
13
http://www.eea.europa.eu/data-andmaps/figures/overall-well-to-wheelgreenhouse-gas-emissions-of-varioustypes-of-biofuels-compared-to-referencefuel/annex-figure-13-term2005.eps/image_original
14
15
Larson, Energy for Sustainable Development, 10, 2, 2006, 109-126.
http://francois.catroux.free.fr/CNAM/ENF208-Energie%20et%20developpement%20durable/2008/sdarticle4.pdf
16
NEB of corn grain ethanol and soybean biodiesel production.
Hill J et al. PNAS 2006;103:11206-11210
©2006 by National Academy of Sciences
17
Diskuze: Energetická náročnost výroby rostlinných olejů
Plodina
Energie na:
kultivaci
extrakci
dopravu
Řepka
(kg nafty / kg)
0.05-0.09 (2004: SRN 0.053-0.056, ČR 0.061-
0.090)
(ÚZPI ČR)
(při 1 t oleje/ha)
(1988: ČR 0.137-0.140)
Kavka, Miroslav a kol.: Normativy zemědělských výrobních technologií. Ústav zemědělských a potravinářských
informací, Praha, 2006. Verze z r. 2004 na http://www.agroporadenstvi.cz/poradenstvi/op/index.htm.
Řepka
(MJ/MJ)
0.28
(JRC EC)
0.010.05
za studena
0.03
extrakce
Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context. WELL-TO-TANK
Report, Version 2c, March 2007. Appendix 2, strana 5 http://ies.jrc.ec.europa.eu/WTW
Slunečnince
(MJ/MJ)
0.18
(JRC EC)
0.010.05
za studena
0.03
extrakce
Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context. WELL-TO-TANK
Report, Version 2c, March 2007. Appendix 2, strana 5 http://ies.jrc.ec.europa.eu/WTW
Sója
(MJ/MJ)
0.06
0.08
extrakce
0.01
(US DOE)
Life Cycle Inventory of Biodiesel and Petroleum Diesel for Use in an Urban Bus. Publikace National Renewable
Energy Laboratory číslo NREL/SR-580-24089 UC Category 1503, květen 1998,
http://www.nrel.gov/docs/legosti/fy98/24089.pdf, strana 214.
18
Praktické využití rostlinného oleje v moderních motorech
19
Lisování rostlinného oleje
(Stř
(Střední
ední škola Landwirtschaftliche Fachschule,
Fachschule, Tulln a.d. Donau,
Donau, Rakousko)
Tulln,
Tulln, Rakousko. Foto autor.
20
Různé druhy a kvality rostlinných olejů
Degradovaný
řepkový olej
Řepkový olej
palivové
kvality
Palmový
olej
Použitý
fritovací
olej
21
Nevyhovující kvalita může být zdrojem mnoha problémů
Viskózní
úsady
Pevné
látky
Surový
palmový
olej
Teplota
(bod)
tuhnutí
22
Nevyhovující kvalita může být zdrojem mnoha problémů
Použitý
fritovací
olej
Kousky vysoce
viskózních
polymerů v
degradovaném
oleji
Odpad z
výroby
bionafty
(není palivo,
nehoří v
motoru)
Použitý
fritovací
olej
23
Měření emisí – válcová zkušebna (New York, USA)
Ford F-350 – nafta, bionafta, použitý fritovací olej
24
Měření emisí – válcová zkušebna (New York, USA)
Ford F-350 – nafta, bionafta, použitý fritovací olej
B-100
vs.
Cycle
LA92
HWFE
NYCC
USO6
HC
- 43%
CO
- 10%
NOx
- 7%
CO2
- 13%
PM
- 34%
- 57%
- 61%
- 53%
- 9%
+ 5%
- 9%
- 34%
- 9%
+ 15%
- 2%
- 40%
- 22%
+ 6%
- 6%
- 20%
HC
CO
NOx
CO2
PM
- 14%
- 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%
nafta
Frit.olej
vs.
nafta
Průměr
Cycle
LA92
HWFE
NYCC
USO6
Palivo
Nafta
Bionafta
Frit. olej
- 35%
- 20%
Poznámka: Orámované pole označuje statisticky významný rozdíl (p < 0.05)
25
Emise uhlovodíků (HC) – nafta, 100% MESO, použitý fritovací olej
US EPA FTP test
70
THC emissions [mg/s]
USO6 test
US EPA HFET test
Diesel_1
B-100_1
VegOil_1
Road speed [km/h]
60
(Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 2007)
Diesel_2
B-100_2
VegOil_2
NYCC
test
(vysoká rychlost,
agresivní jízda)
140
120
(střed města)
50
100
40
80
30
60
20
40
10
20
0
0
1
301
601
901
1201
1501
1801
2101
2401
2701
3001
3301
3601
3901
time (s)
26
4201
4501
roll speed [km/h]
Nákladní vůz Ford F-350
Měření plynných emisí mobilním spektrometrem FTIR
(práce autora v roce 2006 na Atmospheric Sciences Research Center, SUNY,
vychází z grantu NYSERDA PON 704, jehož byl autor hlavním řešitelem)
IR spektrum
Uložení za jízdy
Napájení 12V, celkový
v odpruženém rámu příkon za jízdy < 300W
Ovládání za jízdy
průmyslovým PC
FTIR spektrometr
MIDAC I-series
Regulace
vyhřívání
Kyveta 0.3 dm3,
6 m optická délka
Vyhřívaná na 191°C
Vzorkovací
hadice - 191°C
27
Emise skleníkových plynů
Emise CO2 měřeny IR spektrometry
všechen uhlík v palivu však pochází z CO2 absorbovaného rostlinami ze vzduchu – proto
jsou výsledné přímé emise CO2 ze spalování rostlinných olejů nulové
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
I při uvážení vyššího „skleníkového“ potenciálu N2O se jedná o ekvivalent řádově 1%
CO2 vyprodukovaného při provozu na naftu.
Emise metanu (CH4) byly měřeny na vozidle Ford FTIR spektrometrem a byly pod mezí
detekovatelnosti (cca 1 ppm).
koncentrace [ppm vol]
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
V-1--N2O (ppm)
B-1--N2O (ppm)
V-2--N2O (ppm)
B-2--N2O (ppm)
NYCC
5
4
3
2
1
0
28
USO6
Emise aldehydů a dienů – nafta, MEMK, olej
Nákladní vůz Ford F-350
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)
US EPA HFET test
15
NYCC test
NYCC
USO6
USO6 test
(vysoká rychlost,
agresivní jízda)
(střed města)
10
5
0
2.5
US EPA Highway
LA 92
2
Fuel Economy
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
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
29
USO6
Biofuels workshop, Superior, Montana, 2001 – VW Transporter
30
Metylestery a etylestery hořčičného a sojového oleje, surové oleje
Výsledky – rychlost jízdy a profil trati (GPS)
90
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
8
Nafta B
Výškový profil [m]
7
31
9
Frit. Olej B
nadm. výška [m]
rychlost [km/h]
Výsledky vyneseny vzhledem k ujeté vzdálenosti (časy se neshodují)
Metylestery a etylestery hořčičného a sojového oleje, surové oleje
Výsledky – emise částic v závislosti na ujeté vzdálenosti
12
emise PM [mg/s]
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
elapsed
Naftamiles
A
6
7
Frit. Olej A
8
FAME A
32
9
FAEE A
Měření emisí – San Diego, Kalifornie - VW Jetta – použitý fritovací olej
33
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
2
4
6
8
10
12
14
16
18
34
20 elapsed km
Měření emisí částic a účinnosti oxidačního katalyzátoru
Měření emisí z vozidel poháněných použitým
fritovacím olejem za reálného provozu
- Využití metody Monte-Carlo při zpracování dat
100%
90%
80%
70%
VegOil-upstream (n=2393)
VegOil-downstream (n=2393)
40%
Diesel-upstream (n=3254)
30%
Diesel-downstream (n=3254)
10%
0%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 00%
1
Cumulative fraction of trip time
Distribution of DOC efficiency
VW car - Diesel fuel operation
10
8
6
4
Each bubble =
1 s of operation,
area proportional
to g PM / kg fuel
2
Diesel DOC efficiency (n=3221)
50%
6
4
2
lower loads higher PM
0
500
60%
higher loads lower PM
8
0
70%
VW car - Vegetable oil operation
10
% CO2 (engine load)
50%
Data distribution into
20%rpm-load bins
engine
1000
1500
2000
engine rpm
2500
3000
500
3500
VegOil vs. Diesel fuel – upstream of DOC
1000
1500
2000
2500
engine rpm
3000
40%
30%
-40%
6
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 00%
1
Cumulative fraction of trip time
engine rpm
7
8
4
%CO2 in
exhaust
(load)
engine rpm
35
7
8
2800
5
1
2
2400
2
3
2000
1
1
2
1600
1
Total
417
425
1513
716
793
772
615
398
5649
1200
1
7
7
9
13
33
70
3200
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
-1 0 %
-2 0 %
-3 0 %
-4 0 %
-5 0 %
800
2800
2800
2400
18
8
48
96
132
160
150
119
731
2400
2000
142
68
155
272
347
334
267
157
1742
2000
-30%
1600
168
106
151
161
225
205
163
76
1255
1600
-20%
1200
42
48
99
86
51
45
17
6
394
1200
-10%
800
47
195
1057
93
31
18
5
7
1453
800
0%
Count
CO2
1
2
3
4
5
6
7
8
Total
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
-1 0 %
-2 0 %
-3 0 %
-4 0 %
-5 0 %
VegOil vs. Diesel
20%
10%
3500
VegOil vs. Diesel fuel – downstream of DOC
VegOil DOC efficiency (n=2321)
VegOil vs. Diesel
Cumulative emissions or efficiency (% of trip total)
Vojtíšek-Lom, M.: Monte-Carlo characterization of the effect of powering of light diesel
vehicles with non-esterified recycled frying oils on particulate matter exhaust emissions
using a low-cost portable on-board measurement system. Sborník International Aerosol
Conference, Helsinki, Finsko, září 2010.
60%
% CO2 (engine load)
Cumulative emissions or efficiency (% of trip total)
Distribution of emissions
3
4
%CO2 in
5
exhaust
6
(load)
Velikostní spektra částic - volnoběh
Velikostní spektra částic
Motor Cummins ISBe4
Nafta, bionafta,
Rostlinný olej
vznětový motor Cummins ISBe4
diesel = nafta, RO = ohřátý řepkový olej, FAME = bionafta
Vojtíšek a kol., SAE 2011-24-0104
Velikostní spektra částic - plný výkon
vznětový motor Cummins ISBe4
diesel = nafta, RO = ohřátý řepkový olej, FAME = bionafta
miliony částic za sekundu
1.E+5
miliony částic za sekundu
1.E+6
1.E+5
1.E+4
1.E+3
1.E+2
13:15 diesel
13:45 diesel
14:15 diesel
1.E+1
15:22 RO
15:52 RO
16:22 RO
16:52 RO
1.E+0
17:33 FAME
18:031FAME
10
100
ekvivalentní průměr [nm]
1.E+4
1.E+3
1.E+2
1.E+1
1.E+0
1
10
100
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
1000
ekvivalentní průměr [nm]
36
1000
Emise PAU při provozu na biopaliva vzhledem k motorové naftě
B-30 (směsná nafta), B-100 (bionafta), řepkový olej
4 motory, 2 laboratoře motorů, 3 analytické laboratoře
Vojtíšek a kol., Atmospheric Environment, 2012
Střední hodnoty
toxického ekvivalentu
(TEQ) benzo(a)pyrenu
(BaP).
benzo(a)pyren (BaP).
B[a]P TEQ - biopaliva [ug/kWh]
10
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]
37
10
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
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%
38
Toxikologické zkoušky – vzorkování částic vysokoobjemovými vzorkovači
s následnou extrakcí částic nebo organických látek a in-vitro studiemi
Spolupráce autora s Ústavem experimentální medicíny AV ČR
39
Toxikologické zkoušky – vystavení řezů plic potkanů výfukovým plynům
Prof. Jean-Paul Morin, Université de Rouen, Francie
40
Toxikologické zkoušky – vystavení buněčných kultur výfukovým plynům
Prof. Barbara Rothen, Université de Fribourg, Švýcarsko
41
Souhrn a závěry
• 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% 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.
42

Biopaliva ve spalovacích motorech a jejich vliv na

Transkript

Podobné dokumenty

1 Vliv biopaliv na emise částic ze vznětových motorů

2012-23 - MEDETOX

Výkonové struktury pro radiokomunikační obvody

nanočástice emitované spalovacími motory v městském

STATISTIKA STATISTICS

2012-27 - MEDETOX

ČAS 2011 - Czech Aerosol Society

2014-09 - MEDETOX

Untitled

o o o o o o-

Odstředivky a příslušenství