Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Čím možno nahradiť štandardné palivá - 1. časť

01-08-2018
doc. Ing. Ján Kosiba, PhD. | xkosiba@is.uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Obmedzené zásoby ropy sú hlavným dôvodom pre vývoj, výrobu a využitie alternatívnych palív pre spaľovacie motory. Vyčerpateľnosť zásob ropy sa v súčasnosti nedá presne určiť. Odborníci, ktorí sa zaoberajú touto problematikou nie sú v tejto oblasti jednotní. Táto nejednoznačnosť vyplýva predovšetkým z toho, že neboli preskúmané všetky oblasti na planéte, kde by sa mohli nachádzať zásoby ropy. Taktiež na zásoby ropy má vplyv aj jej spotreba, ktorá sa dá určiť len niekoľko rokov dopredu. Ale ťažko možno predpokladať ako sa bude spotreba ropy vyvíjať o niekoľko desaťročí. Na základe vyššie uvedených skutočností možno konštatovať, že problematika alternatívnych palív pre motory je aktuálna už v súčasnosti aj, keď s istotou nevieme ako to bude vyzerať vo vzdialenej budúcnosti.

Zdroje energie pre spaľovacie motory

 Vyčerpateľnosť ropy sa v súčasnosti nedá presne určiť. Odborníci, ktorí sa zaoberajú danou problematikou nie sú v tejto oblasti jednotní. Táto nejednoznačnosť vyplýva predovšetkým z toho, že neboli ešte preskúmané všetky oblasti na planéte, kde by sa mohli nachádzať zásoby ropy. Takisto na  zásobu ropy vplýva aj jej spotreba, ktorá sa dá určiť len niekoľko rokov dopredu. Ale je ťažké ako sa bude spotreba ropy vyvíjať o niekoľko desaťročí. Na Obr. 1 sú znázornené predpoklady možnosti využívania palív pre spaľovacie motory.

Obr. 1: Zdroje energie pre spaľovacie motory

Obr. 1: Zdroje energie pre spaľovacie motory

V súčasnosti má väčšina z veľkých svetových výrobcov motorových vozidiel vo svojej ponuke minimálne jeden produktový typ vozidla na alternatívny pohon. Trend zavádzania motorových vozidiel s alternatívnym pohonom bude do budúcna jednoznačne narastať. V súčasnosti sa dostávajú do popredia hybridné vozidlá, resp. elektromobily, ktorých predaj je v rámci viacerých krajín Európskej únie podporovaný pri nákupe, či už v podobe dotačnej politiky, resp. daňového alebo iného zvýhodnenia. Na Slovensku v súčasnosti neexistuje žiadna podpora zo strany štátu na nákup takýchto motorových vozidiel.

Rozdelenie alternatívnych palív

Alternatívne palivá z hľadiska ich využitia možno rozdeliť do dvoch základných skupín:

  • palivá priamo nahradzujúce klasické motorové palivá:
    • propán – bután (LPG – skvapalnený ropný plyn),
    • zemný plyn v stlačenej forme (CNG) alebo v skvapalnenej forme (LNG),
    • etanol (palivo E 100 a jeho „homológy“ E 85, E 90, E 10),
    • estery (prevažne metyl-estery) mastných kyselín z rastlinných, prípadne aj živočíšnych olejov,
    • vodík.
  • palivá vyrobené aspoň čiastočne na inej, než na ropnej báze (uhlie, zemný plyn, rastlinné, a teda obnoviteľné zdroje), ktoré sa používajú ako komponenty do klasických motorových palív:
    • metanol,
    • etanol,
    • étery,
    • estery (prevažne metyl-estery) mastných kyselín pripravené reesterifikáciou rastlinných, prípadne aj živočíšnych olejov.

Postupné nahradzovanie fosílnych palív z dôvodov ekologických a ekonomických vedie k zavádzaniu alternatívnych pohonných hmôt, ktoré nie sú pre životné prostredie natoľko zaťažujúce. Z hľadiska spôsobu ich použitia ich môžeme rozdeliť na dve základné skupiny:

  • palivá, ktoré dokážu plne nahradiť klasicky používané palivo,
  • palivá, ktoré sa používajú ako komponenty do bežne používaných palív a nie sú vyrobené na ropnej báze, tzv. biopalivá.

Alternatívne palivá, ktoré nahrádzajú klasicky používané palivá je možné použiť pri vozidlách, ktoré boli vyrobené špeciálne pre tento druh paliva, alebo sa môže vozidlo prestavať úpravou motora. Dôležité je, že použitie tohto paliva musí byť v súlade s doporučeným výrobcu motora, prípadne musí vozidlo absolvovať homologizačnú skúšku. Podľa smernice EÚ č. 2003/30/ES je biopalivo definované ako kvapalné alebo plynné motorové palivo pre dopravu, vyrobené z biomasy. Medzi ne zaraďujeme výrobky ako bioetanol, biometanol, biodiesel (bionafta), bioplyn, biodimetyléter, syntetické biopalivá, biovodík, čistý rastlinný olej atď.

LPG – skvapalnený ropný plyn

LPG (liquefied petroleum gas) tvorí zmes propánu C3H8 a butánu C4H10, pričom ich pomer je odlišný v závislosti od ročného obdobia (rozoznávame letný a zimný) a krajiny, v ktorej sa používa. Ďalej sa v ňom nachádza menšie množstvo ostatných uhľovodíkov ako izobután, propén a izoméry butánu a malé množstvo etánu. LPG vzniká pri rafinácii ropy ako vedľajší produkt, alebo ho môžeme získať ako kvapalnú frakciu oddelenú od metánu pri ťažbe zemného plynu. Použitie LPG vo vozidlách naftového typu je overené, musí dôjsť však k úprave elektrického systému a k zabudovaniu zapaľovacej sviečky. Používajú sa aj tzv. duálne systémy, kde sa na zapálenie zmesi LPG a vzduchu použije minimálne množstvo nafty.

Najväčšou výhodou používania LPG sú nízke emisie spalín, čistejšie výfukové plyny, dlhšia životnosť motora, menšia hlučnosť motora, nízka cena paliva a tiež voľba vodiča medzi použitím paliva LPG alebo benzínu. Medzi nevýhody patria pomerne vysoké vstupné náklady, či nutnosť zvýšenej pozornosti ohľadom bezpečnosti pri jeho používaní. Mnohých možno odradí aj povinnosť pravidelných kontrolných prehliadok, ktoré musí povinne vodič absolvovať. Taktiež je prísne zakázané robiť akékoľvek neodborné zásahy do plynového zariadenia. Aj z tohto dôvodu je pre vodiča zabezpečená asistencia na pumpách pri plnení nádrže.

LPG používaný v súčasnosti je bezsírny a považuje sa za ideálne palivo pre zachovanie ekologicky čistého životného prostredia. Oktánové číslo motorovou metódou LPG dosahuje cca 92 oktánov.

Obr. 2: Traktor Zetor Proxima prestavaný na bivalentnú prevádzku pri tankovaní LPG

Obr. 2: Traktor Zetor Proxima prestavaný na bivalentnú prevádzku pri tankovaní LPG

LNG – skvapalnený zemný plyn a CNG – stlačený zemný plyn

LNG (liquefied natural gas) a CNG (compressed natural gas) sa používa na pohon vozidiel ako zemný plyn, ktorý obsahuje hlavný prvok metán (CH4) (85 % obj.). Ďalej sú to zložky ako dusík (10 % obj.), propán, bután, vyššie uhľovodíky (5 % obj.), sírovodík, oxid uhličitý, vodné pary, argón a ďalšie plyny. Pri skvapalnení zemného plynu sa odstráni dusík, éter a zvyškové uhľovodíky, takže nakoniec čistý LNG tvorí z 99 % obj. čistý metán. Zemný plyn má vynikajúcu odolnosť proti detonačnému spaľovaniu, a preto majú motory spaľujúce zemný plyn väčší kompresný pomer než zážihové motory, a to 13 : 1.

Vo vozidle sú pri používaní zemného plynu nutné tiež úpravy zapaľovacieho systému, kde je zapálenie zmesi umožnené kyslíkovou sondou. Problémom je tiež uskladnenie paliva, lebo si vyžaduje tlakové nádrže. Aj tu je možné použiť palivové články, keď je vozidlo poháňané elektrinou vyrobenou z vodíka zo zemného plynu. Zemný plyn je možné tiež zmeniť na metanol a ten následne použiť v palivových článkoch.

Najväčšou výhodou použitia zemného plynu sú ekologické výhody, keďže zemný plyn nereaguje so vzduchom a nedochádza k vzniku spalín. Cena zemného plynu je tiež nízka a vo svete sú väčšie zásoby zemného plynu ako ropy, či iných fosílnych palív. Je tu tiež veľmi jednoduchá doprava plynu k spotrebiteľovi. Nevýhodou je zložitejšia a drahšia technológia a vyššie náklady na vybudovanie čerpacích staníc.

Obr. 3: Traktor AgorMash s bivalentnou prevádzkou na CNG – nádrže CNG umiestnené za prednými kolesami

Obr. 3: Traktor AgorMash s bivalentnou prevádzkou na CNG – nádrže CNG umiestnené za prednými kolesami

Metylalkohol (metanol)

Metanol je čistá kvapalná látka bez typického zápachu a pre človeka je vysoko jedovatý. Ak sa vyrába z biomasy, nazýva sa biometanol a radí sa medzi biopalivá. Patrí medzi alkoholy a proces výroby prebieha na základe fermentácie v cukrových roztokoch. Alkoholy sú všeobecne vhodné ako palivá, avšak musí byť motor upravený, pričom vznetové motory sa prerábajú na zážihové a je potreba používať mazacie aditíva. Nevýhodou je, že dochádza k zvýšeniu koróznych vplyvov na časti palivového systému a motora. Metanol sa taktiež dá použiť v palivových článkoch.

Najvýhodnejšia je výroba metanolu zo zemného plynu. Dá sa vyrobiť aj splyňovaním dreva, drevného odpadu, ale následná výroba metanolu je oveľa drahšia. Výhoda metanolu je v jeho vyššom oktánovom čísle, čiže je lepšia účinnosť motora, produkuje menej škodlivín a je vo vode rozpustný. Nevýhodou je jeho vysoká jedovatosť pri dýchaní aj pri vnikaní kožou. Má aj odmasťovacie účinky a pri zahrievaní motora cítiť formaldehyd. Jeho výhrevnosť je 19,9 MJ.kg-1 a oktánové číslo stanovené motorovou metódou 89.

Etylalkohol (etanol)

Etanol sa tiež radí medzi alkoholy, ale na rozdiel od metanolu nie je pre človeka taký jedovatý. Je to v podstate lieh, vyrobený z poľnohospodárskych produktov. Je ho možné vyrobiť z cukrov. Využíva sa tu fotosyntéza, ktorá mení CO2 a slnečnú energiu  na biomasu. Dá sa použiť aj ako palivo pre špeciálne skonštruované motory alebo ako prísadu do benzínu. Vyrobený z biomasy nesie názov bioetanol a ten patrí medzi biopalivá.

Na rozdiel od benzínového motora má motor pre spaľovanie etanolu upravený spaľovací priestor a rozdiely v palivovej sústave. Etanol sa tiež lepšie spaľuje, tým znižuje emisie a výkon motora je vyšší. Treba ale dať pozor na rýchlejšiu koróziu kovových prvkov, etanol tiež odmasťuje a jeho výpary sú pre človeka škodlivé. Jeho výhrevnosť je 26,8 MJ.kg-1 a oktánové číslo stanovené motorovou metódou 90.

Vodík

Medzi palivá, ktoré sa dajú použiť na výrobu najčistejšej formy energie patrí vodík. Najjednoduchšou formou výroby je elektrolýza, kde dochádza k rozloženiu molekuly vody na vodík a kyslík. Dnes sa však získava tzv. Fischer-Tropschovou metódou zo zemného plynu alebo uhlia. Používa sa tiež postup oxidácie ropných zvyškov, či splyňovanie uhlia. Vodík následne dobre horí, pričom dochádza k uvoľneniu energie. Horenie vodíka je rýchle, aj pri veľmi chudobných zmesiach, stechiometrický pomer zápalnej zmesi je 34 : 1 (vzduch – palivo).

Spaľovanie vodíka je úplne bez zvyškov, jediný odpad je voda a malé množstvo NOx, avšak ak sa vodík použije v palivových článkoch, jediným odpadom je čistá voda. Nevýhodou je, že pri použití vodíka priamo v spaľovacom priestore je nízka účinnosť, len okolo 10 %. Najväčšou nevýhodou, ktorá bráni jeho širšiemu používaniu je jeho skladovanie a plnenie. Molekula vodíka je taká malá, že pri tlaku v nádobe cca 22 MPa preniká i pri použití špeciálnych tesniacich krúžkov a tak hrozí riziko výbuchu. Aj tak sa však považuje za najsľubnejšie palivo budúcnosti.

Dusík

Ďalšou formou alternatívneho paliva je využívanie dusíka ako zdroja pohonu. Motor pracuje na princípe stlačeného tekutého dusíka, ktorý sa následne mení na paru vo výmenníku tepla. Na to mu slúži teplý vzduch, ktorý ho obklopuje. Dochádza k vareniu dusíka a motor pracuje ako parný motor, čiže mení tlak na mechanickú prácu. Odpadom je dusík, ktorý tvorí väčšinu našej atmosféry. Výhodou je dojazd vozidla na jedno natankovanie až okolo 300 km a pomerne rýchle natankovanie. Nevýhodou je nákladné skvapalňovanie dusíka a to, že dusík pri expanzii spotrebuje veľa tepla, čiže dochádzalo k ochladzovaniu motora a zamŕzaniu trubiek. To bolo vyriešené zavedením predhrievania plynu.

Okrem už vyššie popísaných alternatívnych palív pre motory, z hľadiska produkcie a použitia v poľnohospodárstve má svoj význam bionafta, o ktorej bude pojednané v ďalšom článku.