Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Obnoviteľné zdroje energie / Biopalivá

Zloženie emisií pri bionafte

28-08-2020
doc. Ing. Ján Kosiba, PhD.; prof. Ing. Anton Žikla, CSc.; Ing. Daniela Uhrinová, PhD. | jan.kosiba@uniag.sk

Tento príspevok uzatvára sériu príspevkov zameraných na problematiku bionafty, prezentovanú metylesterom repkového oleja známeho pod označením MERO, alebo RME. Jedná sa o ucelenú problematiku, počínajúc od pestovania energetických plodín, cez výrobu bionafty, jej využitie vo vznetových motoroch a jej vplyv na technicko-exploatačné parametre vznetových motorov, až po emisie vo výfukových plynoch.

Ako je všeobecne známe v súčasnosti sú k dispozícii aj iné biopalivá okrem bionafty, predovšetkým biomasa, etylalkohol a bioplyn. Avšak z hľadiska využitia v motoroch traktorov a mobilných pracovných strojov, pripadá do úvahy predovšetkým bionafta, aj keď v obmedzenom rozsahu sú už v ponuke traktory na bioplyn.

Príspevok je zameraný na sledovanie, porovnávanie a vyhodnocovanie limitovaných a nelimitovaných emisií produkovaných pri spaľovaní motorovej nafty a metylesteru repkového oleja. Z výsledkov nameraných počas skúšok bolo možné vykonať vyhodnotenie emisií skleníkových plynov, nebezpečných výfukových plynov a silných karcinogénov a stanoviť obsah pri ich spaľovaní v motore traktora. Skúšky boli realizované vo výskumnom centre Agroscope ART Tänikon (ART) Švajčiarsko v spolupráci s Katedrou dopravy a manipulácie Technickej fakulty Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre.

Monitorované traktory a použité palivá

Vo výskumnom stredisku ART boli merania realizované s traktormi Hűrlimann H-488 DT a Hűrlimann XB Max 100.

Hürlimann H-488 DT:

Výrobca motora: Hürlimann/Same (I.)                     

Motor: S. L. H  - H 100.4 WT

Počet valcov:  4

Objem valcov: 4000 cm3

Vŕtanie/zdvih: 105 mm/115,5 mm

Nominálne otáčky: 2500 min-1

Výkon: 65 kW

Vstrekovanie: Bosch/Kolbenpumpe PFR

Rok výroby/doba prevádzky: 1994/3273 hodín

Emisná trieda: Etapa I.

Hürlimann XB Max 100:

Výrobca motora: Same-Deutz Fahr

Motor: Deutz 2012, TCD 2012 L04 2V

Počet valcov: 4

Objem valcov: 4038 cm3

Vŕtanie/zdvih: 101 mm/126 mm

Nominálne otáčky: 2300 min-1

Výkon: 72,5 kW

Vstrekovanie: Bosch Steckpumpen

Rok výroby/doba prevádzky: 2009/200 hodín

Emisná trieda/špecifikácia: Etapa III.A/100% bionafta

Vo výskumnom stredisku vo Švajčiarsku – Agroscope ART v Tänikone boli traktory testované palivom RME (rape metylester) a ako referenčná vzorka bola použitá motorová nafta.

V tomto prípade boli skúšky zamerané nie len na zisťovanie technicko – exploatačných parametrov, ale zrealizovali sa aj merania limitovaných emisií – CO, CO, HC, NOx a tuhých častíc podľa normy ISO 8178-4, C1. Základné charakteristické vlastnosti uvedených palív sú uvedené v tabuľke 1.

Pri meraní boli použité dve palivá:

  • motorová NAFTA (SN 181160-1:2009),
  • RME (EN 14214) –  Eco Etoy Energy vo Švajčiarsku.  

Zistené limitované emisie

Pri obidvoch traktoroch boli vykonané merania limitovaných emisií, a to CO, HC, NOx a tuhé častice podľa normy ISO 8178-4, C1 – 8 bodový test. V tabuľke 2 sú uvedené zistené priemerné hodnoty z troch meraní a graficky znázornené na obr. 1 a 2.

Hodnoty CO, HC a tuhých častíc sú nižšie pri palive RME, avšak hodnoty NOx sú nižšie pri palive motorová nafta. Je zrejmé, že novší motor Hürlimann XB Max 100 bez turbodúchadla pohonu významne znižuje obsah emisií. Hodnoty boli merané cez vývodový hriadeľ, takže nemôže byť použité emisné zhodnotenie pre mimocestné vozidlá. Ak by tieto merania boli uskutočnené priamo na motore, oba traktory by splnili požiadavky normy pre CO a HC pri použití RME a nafty. Hodnoty NOx sú vyššie o 21% pre obe palivá pri traktore Hürlimann H-488 DT a vyššie o 25% pri traktore Hürlimann XB Max 100 ako je vymedzený emisný limit.

Zistené nelimitované emisie

Počas skúšok boli uskutočnené merania nasledovných nelimitovaných emisií pomocou prístroja AVL SESAM FTIR 4 – CO2, NO, NO2, N2O, NH3, CH4, C4H6, HCN, AHC, SO2, HCHO, MECHO. V Tab. 3 sú zobrazené priemerné hodnoty z troch opakovaní pre každé palivo (motorová nafta, FAME).

Hodnoty vyhodnocovaných palív sú takmer rovnaké. Traktor, ktorý používal ako palivo RME mal zvýšené hodnoty nielen pre NOx (NO, NO2 a N2O), ale taktiež takmer o 50% vyššiu hodnotu amoniaku, metánu a 1,3-butadiénu, ktoré sú považované za nebezpečné prvky. Pre novší traktor Hürlimann XB Max, sú vyššie hodnoty pre NOx, 1,3 - butadién a acetaldehyd pri RME, avšak rozdiely nie sú markantné. Na druhej strane, nižšie hodnoty sú pri RME pre oxid siričitý a acetaldehyd pre traktore Hürlimann H-488 DT a pre oxid siričitý, kyanovodík a formaldehyd pre traktor Hürlimann XB Max100. Navyše, hodnoty nelimitovaných emisií sú zanedbateľné, s výnimkou oxidu uhličitého, kde môžeme sledovať vyššie hodnoty pre RME pri oboch traktoroch.

Overovanie dymivosti

Hodnoty dymenia sú zvyčajne oveľa nižšie s biopalivom ako s naftou čo potvrdili aj uskutočnené merania. Pre starší traktor Hürlimann H-488 DT, hodnota dymivosti bola o viac ako 50% nižšia s RME ako s naftou. Z obr. 3 je evidentné, že novší traktor Hürlimann XB Max 100 mal tiež oveľa nižšiu hodnotu dymivosti. Tieto hodnoty sa približujú  k nule a nezáleží pritom na použitom palive.

Experimentálne výsledky nepotvrdili jednoznačne výhodu biopaliva oproti motorovej nafte z hľadiska tvorby emisií. Na záver bude iste účelné spomenúť, že často sa stáva, že určité predpoklady, zámery i rozhodnutia robené za zeleným stolom skončia mimo reality. To v plnom rozsahu platí aj v oblasti náhrady fosílnych palív biopaliva v poľnohospodárstve. Nie je to tak dávno, keď kompetentní vyhlasovali, že poľnohospodári budú sebestační v oblasti motorových palív, lebo sú schopní ich nahradiť biopalivami vlastnej produkcie. Ako to dopadlo, to snáď nie je potrebné komentovať, ale o tom bude podrobnejšie pojednané niekedy nabudúce.

Ako je všeobecne známe, výrazné zníženie emisií pri použití motorovej nafty možno dosiahnuť úpravou výfukových plynov, použitím ich recyklácie (EGR), alebo kvapalinou AdBlue a tiež filtráciou pevných častí.

Záver

Z dosiahnutých výsledkov experimentálnych meraní vyplýva, že bionafta nesplnila všetky očakávania v oblasti ekológie. To potvrdzujú hodnoty limitovaných emisií, ktoré sú číselne prezentované v tab. 2 a graficky znázornené na obr. 1 a 2. Tieto hodnoty sú pomerne vyrovnané bez výraznejších rozdielov. Avšak výraznejšie rozdiely v dymivosti boli zistené pri staršom traktore Hürlimann H-488 DT, a to najmä pri maximálnom zaťažení. Pri novšom traktore Hürlimann XB Max 100 sú výraznejšie rozdiely v dymovosti iba pri maximálnom zaťažení. Ekologickú prevádzku vznetových motorov však nemožno posudzovať len podľa dymivosti ako jedného z kritérií.

Napokon treba zdôrazniť, že moderné vznetové motory sú v súčasnosti vybavené progresívnym vstrekovacím systémom Common Rail, pre tieto motory je použitie samotnej bionafty problematické, takže sa bionafta v množstve 3 až 5 percent pridáva do štandardnej motorovej nafty. Z výsledkov vlastných experimentálnych meraní spracovali

Tab. 1 Analýza použitých vzoriek

ANALÝZA

JEDNOTKA

LIMIT

NAFTA

RME

hustota pri 15°C

kg/m3

845,0

831,3

880,0

uhlík

množ. %

x

86,2

76,6

vodík

množ. %

x

14,3

12,2

bod vzplanutia

°C

20

30

17

bod horenia

°C

x

67,0

X

bod tuhnutia

°C

-10

-10

X

obsah síry

mg/kg

10

7,4

X

oxidácia

hod.

min. 6

x

5,2

hodnota kyseliny

mgKOH/g vz.

0,5

x

0,19

obsah vody

ppm

500

x

256

obsah glycerolu

%

0,02

x

0,0035

 

Tab. 2 Hodnoty limitovaných emisií

Hürlimann H-488 DT

počet/kWh

g/kWh

tuhé častice

CO

NOx

HC

Motorová nafta

3,93E+14

1,8

11,13

0,77

RME

3,33E+14

1,61

12,42

0,6

Hürlimann XB Max 100

počet/kWh

g/kWh

tuhé častice

CO

NOx

HC

Motorová nafta

4,31E+14

1,05

5,09

0,19

RME

2,66E+14

0,91

5,92

0,13

 

 

Tab. 3 Hodnoty nelimitovaných emisií

Hürlimann

H-488 DT

CO2

NO

NO2

N2O

NH3

CH4

ppm

oxid uhličitý

oxid

dusnatý

oxid dusičitý

oxid dusičný

amoniak

metán

Motorová nafta

55867

845

40

0,5

0,13

0,52

RME

56769

890

43

0,66

0,21

1,27

ppm

C4H6

HCN

AHC

SO2

HCHO

MECHO

 

1,3-butadién

kyanovodík

aromatické uhľovodíky

oxid siričitý

formaldehyd

acetaldehyd

MN

0,97

0,57

2,1

4,6

8,1

2,7

FAME

1,98

0,57

1,19

1,40

9,95

0,57

Hürlimann

XB Max 100

CO2

NO

NO2

N2O

NH3

CH4

ppm

oxid uhličitý

oxid

dusnatý

oxid dusičitý

oxid dusičný

amoniak

metán

Motorová nafta

64426

378

16,9

0,43

0,12

0,1

RME

66040

431

16,8

0,57

0,13

0,1

 

C4H6

HCN

AHC

SO2

HCHO

MECHO

ppm

1,3-butadién

kyanovodík

aromatické uhľovodíky

oxid siričitý

formaldehyd

acetaldehyd

Motorová nafta

0,44

0,59

0,77

5,0

2,23

0,49

RME

0,90

0,45

1,19

2,9

2,08

0,73

 

 

Obr. 1 Hodnoty limitovaných emisií pre traktor Hürlimann H-488 DT

Obr. 2 Hodnoty limitovaných emisií pre traktor Hürlimann XB Max 100

Obr. 3 Meranie dymivosti traktora Hürlimann H-488 DT

Obr. 4 Meranie dymivosti traktora Hürlimann XB Max 100