Vliv biopaliv na emise částic ze vznětových motorů Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D.

Transkript

1 Vliv biopaliv na emise částic ze vznětových motorů Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D. Fakulta strojní ČVUT v Praze michal.vojtisek@fs.cvut.cz tel. (+4) Současné problémy silniční dopravy Intenzita dopravy i spotřeba paliva rostou Emise ze spalovacích motorů, zejména velmi jemné částice, se stávají jedním z hlavních problémů většiny měst Spalování fosilních paliv vede k emisím skleníkových plynů, jejich narůstající koncentrace spojena s rizikem klimatických změn Zásoby fosilních zdrojů jsou omezené ČR i EU jsou energeticky závislé na jiných zemích Habilitační přednáška Fakulta strojní ČVUT v Praze 9. května 4 Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Emise skleníkových plynů, trendy koncentrace CO, trendy průměrné teploty Částice ve výfukových plynech naftového motoru Liati A., Dimopoulos P.E., Combustion and Flame 57 () Zdroj: NOAA, USA OverviewGraphics/YrRecords.jpg Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Typické velikostní spektrum částic - vznětové motory Zachycovací účinnost dýchacího ho systému Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 9, No. 5/6, pp , 998 Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, A. Mayer, th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 8 Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze,

2 Částice a ozon v přízemních vrstvách atmosféry jsou příčinou cca 46 tisíc předčasných úmrtí v EU ročně (dopravní nehody jen 39 tisíc) Statistiky ČR: částice 7379 (Puklíková, Hygiena 3) nehody 583 (statistiky PolicieČR) Rozjezd kamionu na 9 km/h:,5 až litr nafty Volnoběh osobního automobilu:,5 až litr paliva za hodinu Dříve než motory zavrhnete, zkuste spálit stejné množství uhlí či biomasy uprostřed ulice. Sluneční energie energie Koloběh uhlíku u rostlinného e CO OlejnatéOlejnat plodiny plodiny Živiny (popel) CO OLEJ OLEJ POKRUTINY POKRUTINY DOPRAVA TEPLO Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Biopaliva v ČR Jednotky % etanolu v benzinu Jednotky % FAME v naftě Historické využit ití: Parní stroj (dřevo) Dřevoplyn Výroba bionafty energetická náročnost Alkohol, katalyzátory tory Glycerin, vedlejší produkty E85 (7-85% etanol) B (čist( istá bionafta) B3 (směsn sná nafta) Pokoutné spalování rostlinných ů různých kvalit Výzkumné a demonstrační účely Bioplyn (metan) Dimetyléter ter n-butanol, iso-butanol... Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Doprava do rafinerie Rostlinný Transesterifikace Doprava ke spotřebiteli Alkylestery y mastných kyselin (např. metylester řepkového e) - BIONAFTA Současn asná energetická náročnost: MJ z fosilních zdrojů na MJ v bionaftě, převážně na výrobu metanolu a výrobu MEŘO (ropná nafta:.5 fosilních MJ / MJ nafty) Odhady energetické náročnosti se liší!!! Záleží na technologii a zda k výrobě paliva energii z fosilních či i obnovitelných zdrojů. Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Praktické využit ití rostlinného e v moderních motorech Lisování rostlinného e (Středn ední škola Landwirtschaftliche Fachschule, Tulln a.d. Donau,, Rakousko) Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Tulln,, Rakousko. Foto autor. Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, 9.5.4

3 Různé druhy a kvality rostlinných ů Různé druhy a kvality rostlinných ů Nevyhovující kvalita můžm ůže e být zdrojem mnoha problémů Viskózn zní Pevné úsady látky Řepkový palivové kvality Palmový Použitý fritovací Degradovaný řepkový Surový palmový Teplota (bod) tuhnutí Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Různé druhy a kvality rostlinných ů Nevyhovující kvalita můžm ůže e být zdrojem mnoha problémů Použitý Kousky vysoce fritovací viskózn zních polymerů v degradovaném i Měření emisí válcová zkušebna (New( York, USA) Ford F-35 F nafta, bionafta, použitý fritovací Odpad z výroby bionafty (není palivo, nehoří v motoru) Použitý fritovací Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Měření emisí válcová zkušebna (New( York, USA) Ford F-35 F nafta, bionafta, použitý fritovací B- Cycle HC CO NOx CO PM vs. LA9-43% - % - 7% - 3% - 34% nafta HWFE - 57% - 9% + 5% - 9% - 34% NYCC - 6% - 9% + 5% - % - 4% USO6-53% - % + 6% - 6% - % Emise uhlovodíků (HC) nafta, % MESO, použitý fritovací Nákladní vůz Ford F-35 F (Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 7) 7 6 US EPA FTP test Diesel_ B-_ VegOil_ Road speed [km/h] US EPA HFET test Diesel_ B-_ VegOil_ NYCC test (střed města) USO6 test (vysoká rychlost, agresivní jízda) 4 Frit. Cycle HC CO NOx CO PM vs. LA9-4% + 6% - % - % - 34% nafta HWFE - 35% + 4% - 6% - 4% - 34% NYCC - % + 6% - 8% + % + 3% USO6-3% + 3% - 4% - 5% - % Průměr Palivo HC CO NOx CO PM Nafta Bionafta Frit THC emissions [mg/s] roll speed [km/h] B- vs. nafta - 5% - % + % - 9% - 3% Frit. vs. nafta - 5% + 6% - % - 6% - 3% time (s) Poznámka: Orámované pole označuje statisticky významný rozdíl (p <.5) Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze,

4 Měření plynných emisí mobilním m spektrometrem FTIR (práce autora v roce 6 na Atmospheric Sciences Research Center, SUNY, vychází z grantu NYSERDA PON 74, jehož byl autor hlavním řešitelem) IR spektrum FTIR spektrometr MIDAC I-series Regulace vyhřívání Kyveta.3 dm 3, 6 m optická délka Vyhřívaná na 9 C Uložení za jízdy v odpruženém rámu Vzorkovací hadice - 9 C Napájení V, celkový příkon za jízdy < 3W Ovládání za jízdy průmyslovým PC Emise CO měřeny IR spektrometry Porovnání emsí - nafta, % bio nafta, rostlinný Emise skleníkových plynů Ford F-35 pickup truck, r.v. 999, Powerstroke V l turbodiesel s přímým vstřikem koncentrace [ppm vol] všechen uhlík v palivu však pochází z CO absorbovaného rostlinami ze vzduchu proto jsou výsledné přímé emise CO ze spalování rostlinných ů nulové Emise oxidu dusného (N O) měřeny na vozidle Ford FTIR spektrometrem Emise N O byly při provozu na rostlinný vyšší, ale koncentrace byly pouze jednotky ppm, tedy nízké desetiny g na kg CO I při uvážení vyššího skleníkového potenciálu N O se jedná o ekvivalent řádově % CO vyprodukovaného při provozu na naftu. Emise metanu (CH 4 ) byly měřeny na vozidle Ford FTIR spektrometrem a byly pod mezí detekovatelnosti (cca ppm). Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series LA 9 US EPA Highway Fuel Economy D---NO (ppm) V---NO (ppm) B---NO (ppm) D---NO (ppm) V---NO (ppm) B---NO (ppm) NYCC USO6 Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, (Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 7) Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Emise aldehydů a dienů nafta, MEMK, Nákladní vůz Ford F-35 F 35 (Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 7) Poznámka: acetaldehyd, akrylaldehyd a,3-butadien pod prahem detekce (cca ppm) Porovnání emsí - nafta, % bio nafta, rostlinný D---HCHO (ppm) V---HCHO (ppm) B---HCHO (ppm) Ford F-35 pickup truck, r.v. 999, Powerstroke V l turbodiesel s přímým vstřikem D---HCHO (ppm) V---HCHO (ppm) B---HCHO (ppm) Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series 5 US EPA Highway LA 9 NYCC USO6 Fuel Economy USO6 test (vysoká rychlost, agresivní jízda) 5 koncentrace [ppm vol] US EPA FTP test US EPA HFET test NYCC test (střed města) 5 Biofuels workshop, Superior, Montana, VW Transporter Porovnání emsí - nafta, % bio nafta, rostlinný D---butadiene (ppm) Ford F-35 pickup truck, r.v. 999, Powerstroke V l turbodiesel s přímým vstřikem B---butadiene (ppm) Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series V---butadiene (ppm).5 US EPA Highway LA 9 Fuel Economy NYCC V---butadiene (ppm) D---butadiene (ppm) B---butadiene (ppm) USO6 koncentrace [ppm vol] Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, rychlost [km/h] Biofuels workshop, Superior, Montana, VW Transporter Metylestery a etylestery hořč řčičného a sojového e, surové e Výsledky rychlost jízdy j a profil trati (GPS) Výsledky vyneseny vzhledem k ujeté vzdálenosti (časy se neshodují) Nafta A Frit. Olej elapsed A miles Nafta B Frit. Olej B FAME A FAEE A Výškový profil [m] nadm. výška [m] Biofuels workshop, Superior, Montana, VW Transporter Metylestery a etylestery hořč řčičného a sojového e, surové e Výsledky emise částic v závislosti z na ujeté vzdálenosti emise PM [mg/s] elapsed Nafta miles A Frit. Olej A FAME A FAEE A Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze,

5 Měření emisí San Diego, Kalifornie - VW Jetta použitý fritovací Měření emisí částic a účinnosti oxidačního katalyzátoru VW Jetta,,9 km zkušební trať Současné měření před a za katalyzátorem Diesel-Upstream Diesel-Downstream PM emissions [mg/s]. Nafta elapsed km VO-Downstream VO-Upstream PM emissions [mg/s]. Rostlinný Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, elapsed km Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Velikostní spektra částic Motor Cummins ISBe4 Nafta, bionafta, Rostlinný Vojtíšek a kol., SAE -4-4 miliony částic za sekundu Velikostní spektra částic - plný výkon vznětový motor Cummins ISBe4 diesel = nafta, RO = ohřátý řepkový, FAME = bionafta.e+6.e+5.e+4.e+3.e+.e+.e+ miliony částic za sekundu Velikostní spektra částic - volnoběh vznětový motor Cummins ISBe4 diesel = nafta, RO = ohřátý řepkový, FAME = bionafta.e+5.e+4.e+3 ekvivalentní průměr [nm].e+ 3:5 diesel 3:45 diesel 4:5 diesel.e+ 5: RO 5:5 RO 6: RO 6:5 RO.E+ 7:33 FAME 8:3 FAME ekvivalentní průměr [nm] Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, :5 diesel 3:45 diesel 4:5 diesel 5: RO 5:5 RO 6: RO 6:5 RO 7:33 FAME 8:3 FAME Emise PAU při provozu na biopaliva vzhledem k motorové naftě B-3 (směsná nafta), B- (bionafta), řepkový 4 motory, laboratoře motorů, 3 analytické laboratoře Vojtíšek a kol., Atmospheric Environment, Střední hodnoty toxického ekvivalentu (TEQ) benzo(a)pyrenu (BaP). benzo(a)pyren (BaP). B[a]P TEQ - biopaliva [ug/kwh],, Ohřátý řepkový B- všechna měření B- DPF B-3 všechna měření B-3 DPF,,,, B[a]P TEQ - motorová nafta [µg/kwh] Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Emise PAU při provozu na B- vzhledem k motorové naftě 4 motory ( i s DPF), laboratoře motorů, 3 analytické laboratoře Vojtíšek a kol., Atmospheric Environment, Toxikologické zkoušky ky vzorkování částic vysokoobjemovými vzorkovači s následnou n extrakcí částic nebo organických látek l a in-vitro studiemi Spolupráce autora s Ústavem experimentáln lní medicíny AV ČR -% emise PAU: B vzhledem k naftě. -9% -8% -7% -6% -5% -4% -3% -% -% Zetor C- Zetor C- Iveco % zatížení Iveco % zatížení SCR Liebherr 9 rpm Průměr změny všech testů Součet stanovených PAU Σ 7PAU (US EPA) TEQ B[a]P - Nisbett TEQ B[a]P - Larsen TEQ B[a]P - OEHHA TEQ B[a]P - US EPA Průměr změny TEQ B[a]P % Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze,

6 Toxikologické zkoušky ky vystavení řezů plic potkanů výfukovým plynům Prof. Jean-Paul Morin, Université de Rouen, Francie Toxikologické zkoušky ky vystavení buněč ěčných kultur výfukovým plynům Prof. Barbara Rothen, Université de Fribourg, Švýcarsko Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Souhrn a závěry Ve vznětových motorech využívána bionafta, v koncentracích jednotek procent, cca 3%, a %. Ve vznětových motorech jsou také využívány různé rostlinné e; kvalita paliva má zásadní vliv na chod a životnost motoru a emise. Biopaliva potenciál lokální výroby paliva a snížení CO. Čistá bionafta snižuje hmotnost emitovaných částic o přibližně polovinu, a emise karcinogenních polycyklických aromatických uhlovodíků o desítky procent (7-8% dle měření autora). Bionafta je oproti naftě méně toxická, méně nebo srovnatelně toxické se zdají být i výfukové emise, s občasným zvýšením toxicity. Hladina emisí motoru daná konstrukcí, seřízením, technickým stavem a provozími podmínkami má větší vliv než použité palivo. Hodnocení dopadu nových paliv a technologií motoru na lidské zdraví je jednou z priorit výzkumu v oblastech motorů i kvality ovzduší. Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Přínosy autora Vývoj měřicích zařízení a metodiky pro měření emisí za provozu - udělené a komerčně využité patenty USA, patent ČR - desítky aparatur využity výzkumnými skupinami po celém světě - podíl na vzniku nového přístupu, promítnutého do legislativy USA, plánované využití v legislativě EU Laboratorní a PEMS studie využití biopaliv a emisí částic z biopaliv * 7 impaktovaných publikací, 4 publikací SAE, > dalších * ohlasy Web of Science (63), Scopus (), USPTO (3) Výchova a vedení výzkumného týmu a projektů -5 Clean Air Technologies, Buffalo, USA 8- řešitel GAČR, spoluřešitel MDČR -6 EU LIFE+ projekt MEDETOX (spoluřešitel) 3-5 GAČR projekt BIOTOX (spoluřešitel) Využití PEMS v bakalářských, diplomových a doktorských pracích na FD ČVUT, FS TUL, SUNY Buffalo, Virginia Polytechnic Institute, North Carolina State University, Texas Southern University, Beijing Jiaotong University Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze, Výhled dalšího působení Vedení výzkumných projektů a skupin Výuka (experimentální metody, zkoušení motorů, měření emisí, měření za provozu) Vedení bakalářských, diplomových a doktorských prací Spalování pokročilých a experimentálních paliv Měření emisí během reálné jízdy Sledování a snižování dopadu nových technologií a paliv na lidské zdraví spolupráce se zahraničními laboratořemi hostující profesor, AFHB, Biel, Švýcarsko (zkoušky filtrů částic, vzorkování na buněčné kultury) vzorkování částic pro následné analýzy (projekty BIOTOX, MEDETOX) mezioborové působení udržitelná doprava, udržitelná energetika, obnovitelné zdroje energie, nanočástice vznikající spalováním Michal Vojtíšek Habilitační přednáška FS ČVUT v Praze,