Zasilanie silników paliwami z biokomponentami

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”.

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].

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