Obecnie, długoletnie już doświadczenia wykazały, że sto­sowanie mieszanin estrów metylowych oleju rzepakowe­go (EMKOR) z olejem napędowym w silnikach przeznaczonych normalnie do spalania oleju napędowego jest technicznie moż­liwe i akceptowalne.

Problem rozpowszechnienia biodiesla jest więc przede wszystkim problemem ekonomicznym, a w warun­kach polskich również natury politycznej.

 Etanol
Tłokowe silniki spalinowe z za­płonem iskrowym zwane popular­nie silnikami benzynowymi zaczę­ły swoją historię w 1823 roku, kie­dy to Samuel Brown wykonał pro­totyp silnika atmosferycznego zasi­lanego tym paliwem. Równolegle przeprowadzano próby zastosowa­nia innych paliw ciekłych i gazo­wych takich jak: gaz palny, wodór, terpentyna, spirytus. Jednak dopie­ro z chwilą rozpoczęcia przemysło­wej produkcji samochodów napę­dzanych silnikami benzynowymi w roku 1884 (Benz-67 pojazdów, Peu­geot-40, Panhard-38) zaistniała ko­nieczność podjęcia produkcji i dys­trybucji paliwa do ich napędu.

Systematyczny rozwój motoryza­cji wpływał nie tylko na wzrost za­potrzebowania na paliwo, ale rów­nież wymagał ciągłej jego modyfika­cji w celu sprostania wymaganiom coraz bardziej wyrafinowanych konstrukcji silników. Konstrukcje te wymagały paliw nie tylko wolnych od zanieczyszczeń mechanicznych, ale również o określonych parame­trach fizyko-chemicznych.

 

W okresie przed II wojną świa­tową zaczęło wchodzić do użytku paliwo zwane BAB (benzyna-alko­hol-benzol). Mieszanka ta składa­ła się z ok. 60% benzyny 20% alko­holu i 20% benzolu. Jej liczba okta­nowa wynosiła ok. 70 jednostek. Zastosowanie benzolu w tych mie­szankach zapobiegało rozwarstwia­niu się paliwa, które miało miej­sce w mieszankach typu BA (ben­zyna-alkohol). Proces rozwarstwia­nia następował z chwilą, kiedy w mieszance zawierającej bardzo hi­groskopijny bezwodny alkohol po­jawiła się woda pochłonięta z at­mosfery. W końcu lat 70-tych kry­zys paliwowy w Polsce spowodo­wał ponowne zainteresowanie pali­wami tego typu. Badaniami tych pa­liw zajmowano się również w Poli­technice Krakowskiej.
W Polsce jeszcze do lat 80-tych najskuteczniejszym sposobem pod­niesienia liczby oktanowej produ­kowanych ówcześnie benzyn było stosowanie dodatków w postaci pły­nu etylowego zawierającego między innymi czterometylek i czteroetylek ołowiu. Od tej substancji pochodzi nazwa „Etylina”.

 

Podstawowe własności alkoholu etylowego i estrów

 

Najważniejszym zadaniem stało się usunięcie toksycznych związ­ków ołowiu ze spalin samochodo­wych. Wymusiło to na producen­tach zapewnienie określonej licz­by oktanowej benzyn przez zmianę składu frakcyjnego oraz zastosowa­nie innych dodatków nie zawierają­cych ołowiu.

Konieczność eliminacji ołowiu spowodowana była, nie tylko ze względów na jego bezpośrednie oddziaływanie na środowisko, ale również „zatruwanie” reaktorów ka­talitycznych stosowanych w ukła­dach wydechowych obecnie już prawie wszystkich silników.

W ramach dalszego zmniejsza­nia emisji toksycznych składników spalin w grudniu 2000r. zaprzesta­no produkcji benzyny etylizowa­nej E94, zastępując ją benzyną U95.

Obecne normy obowiązujące pol­skich producentów paliw są ściśle związane z przepisami obowiązu­jącymi w Unii Europejskiej. Prace prowadzone w ośrodkach badaw­czych zmierzają do ujednolicenia naszych krajowych wyrobów z odpowiednikami europejskimi.

Biodiesel

Pomysł zastosowania olejów ro­ślinnych jako paliwa dla silników wysokoprężnych jest prawie tak sta­ry jak same silniki spalinowe. Ru­dolf Diesel – ojciec silnika wysoko­prężnego już w roku 1892 opaten­tował takie paliwo, a w roku 1900 na Wystawie Światowej w Pary­żu przedstawił swój silnik wyso­koprężny (zwany później silnikiem Diesla) zasilany olejem arachido­wym [5]. Przez prawie sto kolejnych lat paliwa roślinne (oleje roślinne  i ich pochodne) nie doczekały się powszechnego wdrożenia m.in. ze względu na znacznie wyższą cenę od oleju napędowego. Niemniej na­leży mieć świadomość, że paliwa pochodzenia roślinnego mają kilka istotnych zalet w porównaniu z pa­liwami ropopochodnymi:

 

-są to paliwa odnawialne (co roku zbiory roślin oleistych są źró­dłem paliwa),

-nie przyczyniają się do wzrostu ilości dwutlenku węgla w atmosfe­rze (ilości CO2 emitowane podczas spalania są podobne jak te pobra­ne przez rośliny oleiste w procesie fotosyntezy w okresie wzrostu ro­ślin). Ma to istotny wpływ na nie pogłębianie się efektu cieplarnia­nego Ziemi,

-charakteryzują się dużą biode­gradowalnością – 98% w ciągu 21 dni (w tym samym czasie rozkłada się tylko 40% oleju napędowego),

-są nieszkodliwe w wypadku rozlania, podczas gdy 1 litr oleju napędowego skaża biologicznie ok. miliona litrów wody,

-praktycznie nie zawierają siar­ki (mimo, że Polska Norma dopusz­cza zawartość siarki w oleju napę­dowym do 500 ppm, to niektóre polskie rafinerie produkują nadal olej napędowy o stężeniu 2000 ppm siarki). Zerowa emisja związków siarki nie powoduje m.in. kwaśnych deszczów i nie sprzyja adsorpcji ra­kotwórczych substancji na cząst­kach sadzy (PM) emitowanej ze spa­linami silników wysokoprężnych,

-w odróżnieniu od oleju napędo­wego zawierają tlen, co zmniejsza m.in. emisję nie spalonych węglo­wodorów emitowanych przez sil­nik (spośród przeszło 200 różnych węglowodorów emitowanych przez silnik zmniejsza się również stęże­nie kancerogennych, mutagennych i teratogennych wielopierścienio­wych węglowodorów aromatycz­nych WWA).

 

Powrót do koncepcji Rudolfa Die­sla, a więc do zastosowania paliw roślinnych, nastąpił dopiero w la­tach osiemdziesiątych XX wieku, a więc po kryzysach naftowych, które dodatkowo zmieniły priorytety kon­struktorów silników spalinowych, z konstrukcji zapewniających uzyska­nie największych mocy, do budo­wy silników zmniejszających zuży­cie paliw ropopochodnych. Wśród wielu paliw alternatywnych rozwa­żano również paliwa pochodzenia roślinnego, w tym oleje: arachido­wy, bawełniany, kukurydziany, lnia­ny, palmowy, rycynowy, rzepakowy, szafranowy, sezamowy, słoneczni­kowy i sojowy [6,7].

 

W polskich warunkach niezłe warunki ekonomiczne uzyskuje się z uprawy rzepaku i ta roślina może być brana pod uwagę jako główne źródło paliw roślinnych dla silni­ków wysokoprężnych. Naturalny olej rzepakowy ma m.in. kilkuna­stokrotnie większą lepkość i znacz­nie gorszą lotność niż olej napędo­wy, co zdecydowanie utrudnia jego zastosowanie jako paliwa dla seryj­nych silników wysokoprężnych [8]. Natomiast powszechnie przyjęte rozwiązanie zmniejszenia nadmier­nie dużej lepkości naturalnego ole­ju rzepakowego polega na chemicz­nym przetworzeniu oleju rzepa­kowego do postaci estrów metylo­wych kwasów tłuszczowych. Otrzy­muje się wówczas paliwo, które przy nieznacznych ograniczeniach może być traktowane jako zamien­ne z olejem napędowym, ponieważ jego własności fizyczne są bardzo zbliżone do oleju napędowego. Pa­liwo takie, zwane potocznie biodie­sel, oznaczane jest w literaturze za­chodniej jako RME (Rapeseed Me­thyl Ester – RME). W Czechach i na Słowacji stosowana jest nazwa bio­nafta, a we Francji – diester. W pro­jekcie polskiej normy jest używany skrót EMKOR – estry metylowe kwa­sów oleju rzepakowego [9].

 

Biokomponenty do paliw

 

Pierwszym państwem europej­skim, które zainicjowało w 1987 r. projekt badawczy dotyczący biopa­liw z rzepaku – „Pilotproject Bio-Diesel” – była Austria. Przebadano wiele silników wysokoprężnych sa­mochodowych i ciągnikowych za­silanych 100% biopaliwem wypro­dukowanym w Austrii. Paliwo takie zostało wprowadzone na rynek Au­strii, Anglii, Belgii, Czech, Słowacji, Niemiec, Szwecji, Włoch, Francji i Węgier, a jego produkcja jest zwykle subsydiowana przez różne zachę­ty podatkowe. W sprzedaży są za­równo czyste estry metylowe kwa­sów tłuszczowych oleju rzepakowe­go (100% RME) – Austria, Holandia, Niemcy, Szwecja – jak i 5% miesza­niny EMKOR w oleju napędowym. Niekiedy sprzedaje się również 30% bądź 33% mieszaninę EMKOR z ole­jem napędowym – Czechy, Francja.

Niektóre cechy ekologiczne tych paliw powodują, że paliwem takim są zasilane przede wszystkim pojaz­dy taboru samochodowego, cechu­jące się dużymi przebiegami rocz­nymi, a więc samochody ciężarowe dużych przewoźników, autobusy i pojazdy komunikacji miejskiej.

W estrach metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego bardzo istotna jest zawartość wody, ponieważ już w ilościach powy­żej 300 mg/kg wody w takim pali­wie powoduje znaczny wzrost bak­terii i utratę jego stabilności. Zawar­tość wody na takim poziomie jest dość trudna do utrzymania i znacz­na część badanych próbek nie speł­niała tego wymagania. Obecność grupy estrowej w EMKOR powo­duje skłonność tego paliwa do roz­puszczania niektórych lakierów i uszczelnień gumowych, co stanowi wadę takiego paliwa.

Wolne kwasy tłuszczowe, któ­re występują wprawdzie w bardzo niewielkich ilościach, mogą wzma­gać korozję elementów silnika i nie­korzystnie wpływać na układ pali­wowy. Łatwość utleniania i polikon­densacji, szczególnie w obecności wody, mogą prowadzić do wytwa­rzania osadów w zbiornikach oraz zwiększania zakoksowania wtryski­waczy paliwa.

Z doświadczeń zarówno polskich jak i zagranicznych ośrodków ba­dawczych, dotyczących badań es­trów metylowych oleju rzepakowe­go jako paliwa, wynikają podobne wnioski.

Wskutek nieco mniejszej warto­ści opałowej takiego paliwa (100% EMKOR) uzyskuje się mniejsze o 5-10% osiągi silników. Różni­ce te wynikają głównie z własno­ści układów wtryskowych i syste­mów spalania silników. Natomiast sprawność ogólna (uwzględniają­ca wartość opałową paliwa) sil­ników zasilanych czystym pa­liwem EMKOR jest praktycznie taka sama jak dla oleju napędo­wego, niezależnie od konstrukcji silnika i warunków testów. W od­niesieniu do emisji limitowanych przez normy toksycznych składni­ków spalin wyniki laboratoriów są również dość zgodne. Stosowanie 100% EMKOR powoduje nastę­pujące procentowe zmiany emisji składników toksycznych w odnie­sieniu do zasilania olejem napę­dowym [10] :

 

-tlenek węgla CO – zmniejszenie emisji od kilku do 40%,

-niespalone węglowodory THC – zmniejszenie emisji od 20 do 50%.

-cząstki stałe PM – od braku wpływu do obniżenia emisji o 70%,

-zadymienie spalin D – zmniej­szenie od 40% do 80%,

-tlenki azotu NOx – wzrost emisji od 3% do 20%.

 

Istotną cechą paliw dla silników wysokoprężnych są ich własności rozruchowe. Jednym z parametrów paliwowych, który to określa jest temperatura zablokowania zimne­go filtra określana w 0C. Dla zimo­wego oleju napędowego DZ wynosi ona wg. norm -200C, dla przejścio­wego oleju napędowego DP -120C natomiast dla 100% EMKOR -5 do -130C.
Wynika stąd że paliwo takie nie może być traktowane jako paliwo zimowe.

Ze względu na zmniejszenie ujemnych skutków zasilania silnika czystymi estrami metylowymi oleju rzepakowego, najczęściej w handlu stosuje się 5% mieszaniny takich paliw z olejem napędowym.

Obecnie, długoletnie już do­świadczenia wykazały, że stosowa­nie mieszanin estrów metylowych oleju rzepakowego (EMKOR) z ole­jem napędowym w silnikach prze­znaczonych normalnie do spala­nia oleju napędowego jest technicz­nie możliwe i akceptowalne. Pro­blem rozpowszechnienia biodiesla jest więc przede wszystkim proble­mem ekonomicznym, a w warun­kach polskich również natury po­litycznej.

 

dr inż. Jerzy Dutczak, Zakład Silników z Zapłonem Iskrowym
dr inż. Jerzy Cisek, Zakład Silników Wysokoprężnych
dr inż. Krzysztof Śliwiński, Zakład Silników z Zapłonem Iskrowym

Oba zakłady wchodzą w skład Instytutu Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej