Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Čím možno nahradiť štandardné palivá - 2. časť

09-08-2018
doc. Ing. Ján Kosiba, PhD. | xkosiba@is.uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Rastlinné oleje – Bionafta

Vynálezca vznetového motora Rudolf DIESEL už v roku 1900 na svetovej výstave v Paríži predstavil motor, ktorý spaľoval arašidový olej. O tom, že R. DIESEL sa vážne zaoberal využitím rastlinných olejov na pohon spaľovacích motorov svedčí aj to, že v roku 1912 napísal „Hoci je použitie rastlinných olejov v súčasnosti bezvýznamné, v budúcnosti budú tieto oleje tak isto dôležité, ako petrolej, alebo uhlie“. Tieto slová sa však doteraz nenaplnili, pretože benzín a nafta svojimi vlastnosťami predstihli rastlinné oleje a preto ich z trhu motorových palív vytlačili. Avšak po vypuknutí prvej ropnej krízy v roku 1973 sa problematika využitia rastlinných olejov na pohon motorov stala znova aktuálna.

Situácia na prelome 20. a 21. storočia

Takmer o sto rokov neskôr po prehlásení vynálezcu vznetového motora, teda na prelome 19. a 20. storočia, kompetentní konštatovali „Len dve percentá áut na cestách EÚ využívajú alternatívne palivá“. A následne na toto konštatovanie vyhlásili „Do roku 2020 majú členské štáty EÚ zabezpečiť, aby ich bolo desaťnásobne viac“. Vzhľadom k tomu, že v odborných kruhoch a napokon aj u samotných výrobcov automobilov, je už dlhšiu dobu vysoko aktuálna problematika hybridných pohonov a elektromobilov a tiež vzhľadom na súčasný stav, len ťažko možno predpokladať kedy bude vyššie uvedená požiadavka splnená. V tejto súvislosti je iste účelné uviesť, že vznetové motory môžu okrem štandardnej motorovej nafty spaľovať s určitými úpravami repkový, slnečnicový, arašidový, palmový, či sójový olej a metylester týchto olejov (MERO). Do palív pre vznetové motory sa môžu po úprave pridať aj roztopené živočíšne tuky, či dokonca použité jedlé oleje z reštaurácií, musia sa však vyčistiť a upraviť. Tieto oleje sa u nás vykupujú, ale vyvážajú, väčšinou do Českej republiky a Nemecka.

Takže aj napriek emisným aféram, možno predpokladať, že vznetové motory budú v dohľadnej a možno aj vzdialenej budúcnosti predstavovať významné pohonné jednotky pre automobily a samozrejme aj pre mobilné pracovné stroje.

Bionafta – rastlinné oleje

Pod pojmom bionafta rozumieme biologicky odbúrateľné motorové palivo vhodné do vznetových motorov, vyrobené na báze rastlinných olejov. Bionaftu možno používať v kombinácii s motorovou naftou v ľubovoľnom pomere. V zásade rozoznávame štyri druhy alternatívneho motorového paliva vyrobeného z repkového oleja:

  • repkový olej sa používa v nespracovanom stave do špeciálnych motorov, ako sú motory s vírivou komôrkou firmy KHD alebo motory firmy Elsbett, 
  • olej sa esterifikuje na metylester repkového oleja (MERO), ktorý je možno použiť v bežných vznetových motoroch samostatne alebo ako zmes MERO + motorová nafta, ktorá sa považuje za zmesné palivo,
  • použitie viackomponentnej bionafty, ktorá je zmesou MERO + ľahké alifatické uhľovodíky,
  • použitie ako trojzložkové palivo obsahujúce MERO + ľahké alifatické uhľovodíky + motorová nafta.

Rad pokusov v praxi aj v laboratóriách preukázal oprávnenosť používania zmesných palív na báze rastlinného oleja. Tieto palivá sú dvoj- alebo trojkomponentné s minimálnym podielom 30 % MERO a ich biologická rozložiteľnosť je stanovená podľa medzinárodného testu  CEC-L-33-A-93 na 90 % počas 21 dní. Veľa experimentov tiež poukazuje na to, že bionafta na báze rastlinného oleja môže nahradiť motorovú naftu bez zmeny konštrukcie motora. Taktiež tento typ paliva je výhodnejší, čo sa týka znečistenia životného prostredia v porovnaní s fosílnymi palivami. V Slovenskej republike sa MERO používa ako palivo čisté alebo v zmesi s inými komponentmi na olejovej báze. Je to minimálne 5 % MERO s hodnotnými prídavkami (ľahké n-alkány, lineárne alkény, rozličné olejové frakcie, motorová nafta atď.) Záleží na konkrétnom zložení jednotlivých výrobcov palív. Hoci takéto zloženie paliva nespĺňa úplnú charakteristiku ekologického paliva – biopaliva – v zložení emisií dochádza k významnému zníženiu polyaromatických uhľovodíkov a karcinogénov s karcinogénnym vplyvom. Biopalivo je definované ako ekologické palivo, ktorého biologická rozložiteľnosť je stanovená medzinárodným testom CEC L-33-A-93 na 99 % počas 21 dní. Experimentálne merania u nás i v zahraničí, najmä vo Švajčiarsku, ukázali, že použitím bionafty sa znižuje dymenie v priemere o 50 percent a pri niektorých režimoch motora aj viac. Táto skutočnosť má svoj význam z hľadiska prevádzkovej schopnosti i životnosti filtra pevných častíc, pričom ekologický význam je nesporný. Ostatné zložky emisií výfukových plynov ostávajú približne na úrovni štandardnej motorovej nafty, aj keď v niektorých prípadoch bol zistený nepatrný nárast oxidov dusíka (NOx).

Obr.

Bionafta ako taká teda vzniká z repkového oleja, ktorý dostaneme lisovaním repkových semien a ktorý sa pomocou katalyzátora a vysokej teploty mení na metylester rastlinného oleja tzv. MERO (najčastejšie repkový). Ten sa následne používa ako palivo – bionafta. MERO sa vyrába esterifikáciou rôznych olejov, repkového (RME), slnečnice (SME), sóje (SOME), živočíšnych tukov (FAME), či z použitých fritovacích olejov (VUOME). Pri porovnaní s motorovou naftou sledujeme zníženie emisií nespálených uhľovodíkov, čiže dochádza k menšiemu zaťažovaniu životného prostredia. Rastlinné oleje tiež neobsahujú žiadnu síru, z ktorej vznikajú oxidy síry (SOx), čo je príčinou kyslých dažďov. Ak sa použije oxidačný katalyzátor, dochádza k ešte väčšiemu zníženiu emisií častíc uhľovodíkov. Bionafta tohto typu tiež prinášala aj množstvo problémov ako usadzovanie kalov, lakov a iných cudzích látok na pohyblivých aj nepohyblivých  častiach motora. Dochádzalo tiež k tzv. želatinatizácii oleja, čo je usadzovanie látok nerozpustných v motorovom oleji a jeho potrebnej častejšej výmene.  

Zmesné palivo tvorí zmes MERO a ropných uhľovodíkov. Obsah MERO tvorí minimálne 30 %. Palivo musí spĺňať technické požiadavky stanovené normou. Zmesné palivá sa aj v meraniach ukázali ako najvhodnejšie, majú priaznivé zloženie emisií, dobrú štartovateľnosť a biologickú odbúrateľnosť. Medzi nevýhody patrí poškodzovanie súčiastok palivového systému, ktoré museli byť nahradené súčiastkami z plastu, zanášanie vstrekovačov a dochádza tiež k zníženiu výhrevnosti a akostných ukazovateľov. Porovnanie jednotlivých palív na základe ich výhrevnosti je znázornený v tab. 1.

Tab. 1: Výhrevnosť jednotlivých zdrojov energie

Zdroj energie
Výhrevnosť (MJ.kg-1 alebo MJ.m-3)
surová nafta
42,6 – 42,7
benzín
43,3
zemný plyn
36,0
propán-bután
46,0
bionafta MDT
42,8
MERO
37,1
repkový olej
36,7
slnečnicový olej
34,0
sójový olej
34,0
glycerín
16,27

Plynné biopalivá

Veľkou výhodou plynných palív je, že vďaka svojej konzistencii sa lepšie miešajú so vzduchom, a teda aj lepšie horia. Majú síce vyššie oktánové číslo, ale zároveň aj nižšiu výhrevnosť. Plynné biopalivá môžeme dostať dvoma spôsobmi, buď ako drevoplyn, tu dochádza k splyňovaniu suchých zvyškov biomasy, alebo ako bioplyn, keď biomasa anaeróbne vyhníva. Obe palivá sa dajú použiť v naftových aj benzínových motoroch.

Bioplyn vzniká kvasením organických látok a jednoducho by sme proces mohli opísať ako reakciu biomasy s baktériami, pričom vzniká bioplyn a živiny. Bioplyn tvorí zmes plynov: okolo 70 % metánu, 28 % oxidu uhličitého a 2 % ďalších plynov. Jeho použitie je skutočne všestranné, avšak kvôli tepelným podmienkam ho v zime býva nedostatok a v lete prebytok. Výhodou bioplynu je, že sa dá pre neho upraviť takmer každý naftový motor a bioplyn má tiež vyššie oktánové číslo. Nevýhodou je jeho skladovanie v tlakových nádobách. Zväčša sa používa pre poľnohospodárske stroje.

Pri výrobe drevoplynu dochádza k premene tuhého paliva na plynné. Podstatné je zabezpečiť dostatočnú čistotu plynu, čo závisí tiež od použitej biomasy a vlhkosti paliva. Drevoplyn sa dá použiť na pohon vozidiel, avšak vyžaduje sa úprava motora. Je možné použitie aj bez predchádzajúcej úpravy, avšak len v prípade, ak ide o polovičný chod motora. Tento typ pohonu bol využívaný hlavne v minulosti, keďže vzhľadom na nízku výhrevnosť dreva je  jeho použitie na pohon automobilu nevýhodné.

Emulzné palivá

Medzi ďalšie typy alternatívnych palív patria aj tzv. emulzné palivá, zložené z 85 % motorovej nafty, 13 % vody a 2 % ďalších prísad. Ich význam spočíva v tom, že vstrekovanie vody významne ovplyvňuje dymivosť, ktorá tak klesá. Nevýhodou je, že dochádza k miernemu poklesu výkonu motora okolo 10 %.

Čas ukáže a ako vždy a všade, trh v rozhodujúcej miere ovplyvní ďalší vývoj v oblasti motorových palív. Samozrejme, že v tejto súvislosti vonkoncom nemožno podceniť vývoj legislatívy, konkrétne emisných noriem pre cestné vozidlá a mobilné pracovné stroje.

Fyzikálne charakteristiky jednotlivých palív

Parameter
Repkový olej
MERO
Bionafta
Nafta
Hustota pri 20°C
910
883
888
827
Viskozita pri 20°C
97,7
8,8
8 <
3,3
Výhrevnosť
36,7
37,3
42,8
42,8
Cetánové číslo
39
49
47
48,7
Bod vznietenia
317
140
135
215
Bod tuhnutia
-14
-42
-12
-16

Spotreba biopalív v EÚ v mil. litroch

Štát
2015
2016
2017
Francúzsko
3 249
3 272
3 270
Nemecko
2 465
2 467
2 640
Španielsko
1 091
1 293
1 460
Taliansko
1 321
1 322
1 320
Veľká Británia
909
966
1 020
Švédsko
1 022
1 022
1 020
Poľsko
738
738
740
Rakúsko
710
716
720
Fínsko
460
454
450
Belgicko
454
454
450
Portugalsko
399
327
380
Ostatní
1 913
1 858
1 920
Spolu
14 732
14 890
15 390

Producenti MERO na Slovensku v roku 2010

Výrobca
Kapacita t/rok
Spectrum, Horné Obdokovce
4 500
Agrifop, Stakčín
1 000
Palma-Tumys, Šenkvice
37 680
Bio Plus, Spišský Hrušov
6 000
PD Zohor
20 000
PD Šalgovce, Orešany
1 800
Agrochemix, Sereď
30 000
New Diesel, Senica
40 000
Meroco, Leopoldov
100 000
Spolu
240 980