|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 11/2004
Paliwo rzepakowe: zmniejszenie emisji CO i stopnia zadymienia i… wzrost emisji NOX . Biodiesel
|
|
Instytut Technologii Nafty w Krakowie
Stały wzrost plonów doprowadził w wielu krajach do nadprodukcji żywności. Dlatego obecnie rolnictwo koncentruje się na efektach jakościowych oraz ochronie środowiska.
|
Stworzyło to dogodne warunki do połączenia wysiłków w przemyśle i rolnictwie w celu przemysłowego wykorzystania wielu roślin, w tym oleistych. Zastosowanie olejów roślinnych jako paliwa dla silników o zapłonie samoczynnym (ZS) było rozważane od początku pojawienia się tego rodzaju silnika. Bezpośrednim impulsem do przemysłowego wykorzystania roślin oleistych stały się kryzysy paliwowe w latach 70. oraz w następnych dekadach. Wskazały one na rośliny jako źródła odnawialnych i ekologicznych paliw dla silników spalinowych.
O biodieslu mówi się od wielu lat. Jednak ostatnie wydarzenia związane z importem tego produktu wprowadziły pewne zamieszanie, związane z definicją sprowadzanej mieszaniny składającej się z oleju napędowego (70 proc.) i oleju rzepakowego (30 proc.) oraz faktycznego biodiesla, jako paliwa silnikowego otrzymywanego wyłącznie z rafinacji roślinnego oleju rzepakowego. Różnicę pomiędzy tymi produktami odzwierciedla nie tylko technologia produkcji, ale również odpady powstające przy ich wytwarzaniu i związki wydzielane do atmosfery.
Polska w zakresie produkcji biodiesla ma ponad 10-letnie opóźnienie w stosunku do innych państw Unii Europejskiej. Jednym z priorytetów Unii jest produkcja ekologicznego paliwa z rzepaku, zwanego potocznie biodieslem, która jest rozwijana w krajach Wspólnoty od szeregu lat. Produkcja biodiesla w naszym kraju może pomóc w rozwiązaniu problemów społecznych, takich jak bezrobocie na wsi. Ponadto zaopatrzy tereny wiejskie w tańsze paliwo własnej produkcji.
Uwarunkowania prawne
We wszystkich krajach europejskich legislacja prawna odnosząca się do estrów oleju rzepakowego jest już dawno ustalona. W państwach europejskich produkcja biodiesla jest dotowana na kilku etapach produkcji:
-
u rolnika, któremu Unia dotuje każdy zaorany hektar kwotą ok. 433 euro;
-
możliwe są nieoprocentowane kredyty na rozwój produkcji paliw ze źródeł odnawialnych;
-
każdy kilogram wyprodukowanego estru oleju rzepakowego jest dotowany kwotą ok. 0,3 zł;
-
ostatnia faza dotacji wynika z mieszania metyloestru z paliwami ropopochodnymi i obniżania z tego tytułu podatku akcyzowego w różnych proporcjach, w zależności od danego kraju.
W zakresie produkcji estrów oleju rzepakowego najprężniej działa Francja. Już w 1992 r. ustawowo znormalizowano tam produkcję oraz procentowy stosunek dodawania estru rzepakowego do oleju napędowego w relacjach: 1 l oleju napędowego zawiera 5 proc. estru oleju rzepakowego. Podobnie postępują Niemcy, którzy jednak nie zajmują się mieszaniem estrów z olejem napędowym, ale sprzedają 100 proc. biodiesla. Inne uwarunkowania wprowadziła Szwecja, gdzie 1 l oleju napędowego zawiera 80 proc. estru metylowego. Na tak skomponowanym paliwie jeżdżą głównie pojazdy firm i instytucji będących odpowiednikami naszej budżetówki. Natomiast mieszaniny oleju napędowego z estrem oleju rzepakowego w ilościach: 5, 20, i 30 proc. używane przez prywatne podmioty.
Należy podkreślić, że Komisja Europejska 28 czerwca 2001 r. opracowała propozycję Dyrektywy Europejskiego Parlamentu i Rady dotyczącą promocji wykorzystania biopaliwa w transporcie samochodowym. W swoim „zielonym” dokumencie, zatytułowanym „W stronę Strategii Europejskiej Odnośnie Dostawy Energii”, Komisja naświetliła dwa główne zagadnienia:
-
Unia Europejska staje się coraz bardziej zależna od zewnętrznych źródeł energii, a jej rozszerzenie o kolejne państwa pogorszy istniejącą sytuację. W oparciu o aktualne prognozy i przedsięwzięte środki w zakresie wykorzystania paliw alternatywnych, poziom 70 proc. ich stosowania w stosunku ogólnej konsumpcji paliw węglowodorowych kraje członkowskie osiągną w 2030 r.;
-
emisja gazów spalinowych powodujących efekt cieplarniany w krajach UE ma tendencję zwyżkową, utrudniając reakcję na wyzwania zmian klimatu i wypełnienia zobowiązań wynikających z protokołu z Kioto. Zobowiązania zapisane w tym protokole są traktowane jako pierwszy etap zadań w zakresie poprawy klimatu przez całą społeczność międzynarodową.
Wprowadzenie w Polsce przepisów prawnych dotyczących produkcji biodiesla jako paliwa dla silników o zapłonie samoczynnym, wymagać będzie zapisu prawnego. Dotychczasowy brak zainteresowania tą problematyką władz państwowych i wynikające stąd niedostatki polskiego prawa są przyczynami wielu nieprawidłowości, np. finansowych, zwalniających z opłaty akcyzowej importowane oleje ropopochodne, zawierające mniej niż 70 proc. produktów przeróbki ropy naftowej. Natomiast obrotni przedsiębiorcy handlujący paliwami, importują produkty zawierające 31-32 proc. estrów metylowych kwasów tłuszczowych i pochodzących z procesów estryfikacji oleju rzepakowego. Zdają sobie oni sprawę, że pogląd wyrażony przez resort finansów stoi w jawnej sprzeczności z interpretacjami Urzędu Statystycznego, który w SWW produkt taki klasyfikuje jako: 124498, czyli mieszaniny związków organicznych, co wyłącza go z opodatkowania akcyzą. Mieszanka ta sprzedawana jest jako biodiesel lub pod inną nazwą, bądź wręcz jako olej napędowy. Często taka „dzika sprzedaż” nie gwarantuje wymaganej jakości sprzedawanego paliwa.
Wdrożenie wymaganego dyrektywami Unii Europejskiej systemu kontroli jakości paliw nie jest przedmiotem specjalnego zainteresowania rządu i Sejmu. Jest to na pewno zdecydowanie niekorzystne dla użytkowników paliw. Aby uruchomić produkcję biopaliwa w Polsce, oprócz unormowania przepisów prawnych dotyczących stosowania i funkcjonowania kodów (SWW i PKWiU), niezbędna będzie również pomoc ustawodawcy. Prawne usankcjonowanie produkcji biodiesla przyniosłoby nie tylko korzyści ekologiczne, ale przyczyniłoby się do poprawy sytuacji wsi poprzez stworzenie dodatkowych miejsc pracy oraz znacznych wpływów do budżetu. Według francuskich badań, produkcja 1 tys. t biopaliw wymaga utworzenia 11 miejsc pracy. W skali Polski znaczyłoby to powstanie ok. 5615 nowych miejsc pracy.
Produkcja nasion rzepaku
Według wielu źródeł literaturowych i publikacji naukowych zasianie w Polsce wszystkich możliwych nieużytków rolnych rzepakiem pozwoli w ciągu trzech lat na osiągnięcie plonów w wysokości ok. 3 mln t. Z tego ok. 600 tys. t będzie przeznaczone na przemysł olejarski (konsumpcyjny), a pozostałe 2,4 mln t na wyprodukowanie ok. 1 mln t estrów. Przy wymieszaniu estrów z ON będzie można uzyskać ok. 3 mln t paliwa, zwanego obecnie mieszaniną chemiczną, co daje ok. ¼ całej konsumpcji zużycia oleju napędowego w Polsce. (Zbiory rzepaku i przeciętny plon w kraju w latach 1990-2000 przedstawiono na rys. 1 i 2, natomiast jego krajowe zużycie w latach 1986-2000 przedstawiono na rys. 3).
Z powodu obecnej „nieopłacalności” produkcji biodiesla w kraju, gospodarstwa rolne na szeroką skalę zajmują się uprawą rzepaku skupowanego przez Agencję Rynku Rolnego. W rezultacie jest on sprzedawany za granicę, do czego przyczyniają się dopłaty dla eksporterów właśnie ze strony ARR.
Potencjalne możliwości produkcji biopaliwa w Polsce
Sprzedaż oleju napędowego w Polsce w 2000 r. kształtowała się na poziomie 6, 343 mln t. Z badań wynika, iż z 1 t rzepaku można otrzymać 291,64 dm sześc. biopaliwa. Aby zaspokoić całkowite potrzeby Polski na olej napędowy należy przerobić na ten cel ok. 29 mln t tego surowca. Według Krajowego Zrzeszenia Producentów Rzepaku, potencjał produkcyjny Polski w zakresie rzepaku wynosi ok. 2 mln t. Przyjmując, że ta wielkość w całości będzie przetworzona na paliwo, można uzyskać ok. 584 mln dm sześc. biopaliwa. Zaspokajałoby to potrzeby Polski na olej napędowy (w 1999 r.) w ok. 7 proc. Dla porównania, rolnictwo zużywało w 1999 r. ok. 2,3 mln t oleju napędowego, co stanowiło 36,3 proc. całkowitego zużycia tego rodzaju paliwa w kraju.
Przyjmując średni plon rzepaku w Polsce 1999 r wynoszący 23,6 t/ha oraz potencjał produkcyjny rzędu ok. 2 mln ton, można w przybliżeniu określić powierzchnię upraw rzepaku dla zapewnienia produkcji rzepaku. Wynosi ona ok. 0,847 mln ha. Zważywszy, iż powierzchnia użytków rolnych w Polsce kształtuje się na poziomie 18,4 mln ha, zatem maksymalna powierzchnia upraw rzepaku dla podanego potencjału zajęłaby ok. 4,6 proc.
Technologia produkcji biopaliw
Istnieje kilka metod otrzymywania biopaliw z olejów roślinnych:
-
kraking termiczny;
-
kraking katalityczny;
-
elektroliza;
-
transestryfikacja.
Na przemysłową skalę wykorzystywana jest technologia produkcji paliwa na bazie nasion roślin oleistych, tzw. „zimna”, w której proces otrzymywania biopaliwa prowadzony jest w temperaturze 20-70 st. C z użyciem katalizatorów katalitycznych i gorąca. Wymaga prowadzenia reakcji transestryfikacji w temperaturze 240 st. C i pod ciśnieniem ok. 10 MPa.
Według specjalistów z Instytutu Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, taka technologia wymaga dostępu do źródła taniej energii cieplnej, a także dużej ilości metanolu, który następnie może być ponownie kierowany do procesu. Surowcem jest tu olej rzepakowy.
Wymienione technologie warunkują odmienne rozwiązania organizacyjne procesu produkcyjnego. Technologia „gorąca” może być realizowana w istniejących zakładach chemicznych. Za tym rozwiązaniem przemawia prawdopodobieństwo uzyskania niższego kosztu jednostkowego przerobu oleju rzepakowego na biopaliwo. Proces jego uzyskiwania w technologii „na zimno” może być realizowany w małych zakładach przetwórczych, produkujących np. 500 t tego paliwa rocznie. Podczas produkcji biopaliw na bazie oleju rzepakowego otrzymuje się również produkty uboczne: odpad płynny (tzw. faza glicerynowa, otrzymywana po procesie estryfikacji) oraz wody odpadowe.
Właściwości użytkowe
Użycie oleju rzepakowego w jego naturalnej postaci jako paliwa dla silnika ZS, wiąże się z pewnymi trudnościami technicznymi, które wynikają z jego własności fizykochemicznych. Przyczyną tego są głównie: przebieg krzywej destylacji i zdecydowanie różny skład chemiczny, co przedstawiono w tablicy 1.
Głównym składnikiem olejów roślinnych są bowiem estry glicerynowe kwasów tłuszczowych w postaci wielocząsteczkowych struktur, które powodują m.in. znaczne zanieczyszczenie komory spalania i dużą lepkość. Stosunkowo prostym technicznie sposobem zminimalizowania tych trudności jest poddanie oleju roślinnego tzw. transestryfikacji przez alkoholizowanie metanolem lub etanolem. Otrzymuje się w ten sposób estry metylowe lub etylowe kwasów tłuszczowych oleju roślinnego o znacznie mniejszych cząsteczkach oraz mniejszej lepkości. Równie istotnym problemem jest cena tego paliwa, która jest wyższa zarówno od ceny naturalnego oleju rzepakowego, jak i od oleju napędowego.
Dla określenia przydatności użytkowej oleju rzepakowego jako paliwa silnikowego nie wystarczą rozważania teoretyczne, ale muszą być wykonane szerokie badania hamowniane i eksploatacyjne. Badania przydatności oleju rzepakowego jako paliwa silnikowego można podzielić na trzy grupy:
-
badania hamowniane obejmujące określenie zmian parametrów pracy silnika, a w szczególności momentu obrotowego i mocy, zużycia paliwa, temperatur mediów, przebiegu zmian ciśnienia spalania;
-
określenie zmian toksyczności spalin, a w szczególności emisji składników ujętych w normie, emisji cząstek stałych i wielkości zadymienia spalin, analizy aldehydów, ketonów i związków aromatycznych, analizy węglowodorów policyklicznych, emisji zapachowej, obecności kwasów w spalinach;
-
badania trwałościowe silnika obejmujące stopień zużycie elementów układu korbowo-tłokowego oraz łożysk korbowodowych i głównych, a także obserwacje i analizę powstających osadów i nagarów, zmiany właściwości fizykochemicznych oleju smarowego (silnika), zmianę parametrów pracy silnika w próbie długotrwałej. Schemat strukturalny takich badań przedstawiono na rys. 4.
|
Według naukowców zajmujących się badaniem silników zasilanych estrem metylowym oleju rzepakowego, w tym EMKOR, należy obniżyć kąt wyprzedzenia wtrysku w stosunku do fabrycznych nastawów podczas zasilania olejem napędowym.
Uzyskane wyniki badań silnikowych i eksploatacyjnych paliw rzepakowych w postaci estrów metylowych w polskich instytutach naukowych pozwalają na sformułowanie następującej oceny: paliwa rzepakowe i mieszanki z olejami napędowymi stwarzają duże możliwości w zakresie ich wykorzystania jako nośników napędu samochodów ciężarowych, osobowych i ciągników rolniczych wyposażonych w silniki o zapłonie samoczynnym. Parametry robocze silników o zapłonie samoczynnym, zasilanych paliwem rzepakowym, są w dużym stopniu zależne od ich konstrukcji.
Z praktycznego punktu widzenia lepsze efekty mogą być uzyskane przy zastosowaniu oleju rzepakowego przetworzonego chemicznie do postaci estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego, np. EMKOR uzyskując następujące efekty:
-
moc nominalna i moment obrotowy dla większości silników praktycznie nie ulega zmianie wskutek nieco większego zużycia paliwa o ok. 8-14 proc. rekompensującym spadek wartości opałowej paliwa, co świadczy o wyższej sprawności energetycznej procesu spalania szczególnie przy wyższych obciążeniach;
-
wyższa sprawność ogólna silników ZS zasilanych estrem metylowym kwasów oleju rzepakowego w stosunku do oleju napędowego wynika z większej sprawności indykowanej;
-
obciążenia mechaniczne i cieplne praktycznie pozostają na tym samym poziomie; temperatury spalin są niższe o ok. 3-10 proc. w stosunku do zasilania olejem napędowym. Maksymalne ciśnienia spalania są wyższe o 5 proc., zaś maksymalne ciśnienia wtrysku do 25 proc.;
-
hałaśliwość pracy silnika praktycznie nie ulega zmianie.
Paliwa rzepakowe dają możliwość mieszania się w dowolnych proporcjach z olejem napędowym obniżając jednak swoje niektóre dobre właściwości ekologiczne. Zależy to od typu silnika z zapłonem samoczynnym i udziału procentowego mieszaniny oleju rzepakowego w oleju napędowym. Proporcjonalnie wzrasta też zadymienie spalin.
Łatwy rozruch silnika o ZS w niskich temperaturach otoczenia jest czynnikiem wpływającym w znacznym stopniu na jego niezawodność eksploatacyjną, która obok ekonomiczności pracy i toksyczności spalin jest jednym z głównych kryteriów oceny przydatności użytkowej dla silnika.
Ponadto paliwa rzepakowe charakteryzują się korzystniejszymi właściwościami ekologicznymi w porównaniu z olejem napędowym:
-
niższe jest stężenie tlenku węgla i węglowodorów w spalinach nawet do 40 proc.;
-
spadek emisji cząstek stałych w spalinach o 10-60 proc.;
-
całkowity brak związków siarki;
-
spadek związków kancerogennych;
-
biodegradowalność na poziomie 98,3 proc. w ciągu 21 dni;
-
obecność aldehydów;
-
zwiększona emisja tlenków azotu do ok. 17 proc., co wynika z obecności tlenu, związanego w grupie estrowej, a poprawiającego proces spalania i zmniejszającego zadymienie spalin;
-
pojawia się pokaźna, jakkolwiek niższa niż w oleju napędowym, emisja wyższych węglowodorów aromatycznych.
Zwiększona agresywność w stosunku do niektórych gum, lakierów i tworzyw sztucznych wywołanych obecnością estrów karboksylowych jako podstawowego składnika paliw rzepakowych, wymagać będzie zmian technologicznych akcesoriów silnikowych (opinie są podzielone wśród badaczy z kraju i zagranicy). Autorzy prac badawczych z Europy Zachodniej zwrócili uwagę na skłonność do wytrącenia się nadmiernych ilości osadów w kanałach wylotowych rozpylaczy już po kilkudziesięciu godzinach pracy silnika badawczego, zasilanego estrami etylowymi kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego. Stwierdzono też, iż duży wpływ na ocenę stanu technicznego elementów silnika ma stopień czystości estrów, tj. zawartość w nich ubocznych produktów procesu ich wytwarzania i nieprzereagowanych trójglicerydów oleju rzepakowego.
Estry wytworzone z nierafinowanych olejów roślinnych powodują w warunkach badań silnikowych zatykanie się filtrów paliwowych, zakleszczenie iglic rozpylaczy i pogorszenie stanu czystości pierścieni tłokowych. Źródłem nadmiernych ilości osadów na elementach silnika zasilanych estrami rzepakowymi jest, według niektórych specjalistów, znacznie wyższa średnia temperatura wrzenia estrów alkilowych kwasów tłuszczowych w porównaniu ze średnią temperaturą wrzenia olejów napędowych pochodzenia naftowego.
W związku z tym część paliwa estrowego przechodzi w komorze spalania silnika w fazę parową, a część ulega krakingowi termicznemu, którego następstwem jest wytwarzanie się osadów węglowych i laków na elementach aparatury wtryskowej. Osady te wpływają na pogorszenie efektywności procesu spalania paliwa, gdyż ograniczają ruchliwość iglicy rozpylacza i zmniejszają średnicę otworu jego dyszy. Poprawę parametrów procesu spalania paliwa estrowego uzyskano po przeprowadzeniu korekty w zakresie regulacji kąta wyprzedzenia wtrysku dla nastawów fabrycznych przy zasilaniu olejem napędowym.
Badania silnikowe wykonane przez specjalistów z SAE wykazały, że krople paliwa estrowego wytwarzane przez dysze rozpylaczy są większe od kropli oleju napędowego, co utrudnia proces stabilnego i równomiernego spalania estrów w silniku. W badaniach estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju słonecznikowego, stwierdzono zmniejszenie średnic otworów wylotowych rozpylaczy wywołane osadzeniem się w nich substancji węglowych powodujących zmiany przebiegu wtrysku i pogorszenie atomizacji paliwa. Następstwem wytwarzania się nadmiernej ilości osadu w elementach aparatury wtryskowej może być zmniejszenie mocy użytecznej silnika zasilanego paliwem estrowym. Opisane zjawiska obserwowane są również w paliwach będących kompozycjami handlowymi olejów napędowych i estrów alkilowych kwasów tłuszczowych olejów roślinnych.
Dane literaturowe i prace badawcze wykonane w Instytucie Technologii Nafty w Krakowie zwracają uwagę na możliwość rozpuszczenia się estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego EMKT zastosowanych jako paliwo, we współpracującym z nim oleju smarowym podczas pracy silnika. W związku z tym zaistniała konieczność opracowania metodyki oznaczenia zawartości EMKT w oleju silnikowym. Opracowaną metodykę wykorzystano do oznaczenia zawartości EMKT w przepracowanym oleju silnikowym Lotos Diesel CE/SF SAE 15W/40, który współpracował z paliwem zawierającym 20 proc. (V/V) EMKT w oleju napędowym. Dla porównania wykonano analogiczne oznaczenia dla tego oleju silnikowego współpracującego z olejem napędowym Ekodiesel zawierającym wyłącznie komponenty pochodzące z ropy naftowej. Stwierdzono, że istnieje możliwość ilościowego oznaczenia zawartości EMKT nawet przy niskich jego stężeniach w oleju silnikowym, tj. poniżej 1 proc. (m/m).
|
|
|
|
