Klíčová slova: bionafta, propan-butan, zemní plyn, alternativní paliva, metylester

Transkript

1 Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice II. ročník (obor DP-SV), st. skupina 26 Bartas Miroslav, Matějka Jan pracovní skupina 6 Název práce: Alternativní paliva v dopravě Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je naším původním autorským dílem, které jsme vypracovali samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsme při zpracování čerpali, v práci řádně cituji. Anotace: Semestrální práce se zabývá využitím některých alternativních zdrojů energie a paliv v dopravě. Popisuje jejich výhody a nevýhody. Porovnává jejich vlastnosti. Klíčová slova: bionafta, propan-butan, zemní plyn, alternativní paliva, metylester Obsah 1.0 Úvod LPG Složení propan - butanu Problém s LPG Výhody a nevýhody LPG CNG Výhody a nevýhody CNG Čerpací stanice Alkoholy 6 4.1Pohon alkoholy má několik předností: Hybridní pohon Přeměny uhlovodíkového paliva Vedlejší systémy a agregáty v automobilech Vodík Petrochemické procesy Elektrolýza vody Nevýhody při použití vodíku Sluneční energie Binafta Bionafta první generace: Bionafta druhé generace Společné nevýhody bionafty I. a II. generace Vývoj MEŘO v ČR a EU Konkurenceschopnost Závěr 16 1

2 1.0 Úvod Nezávisle na tom, jak dlouho budou ještě k dispozici zásoby ropy, je jisté, že jednou budou vyčerpány. Současný vývoj a tendence vývoje ceny ropy ve světě opět vyvolává otázky na využití alternativní energie v dopravě. Důležitým a neméně významným aspektem je známá problematika životního prostředí s jejími možnými katastrofálními důsledky. Obrovským fenoménem a potřebou současné civilizace je doprava. Potřeba přepravování roste úměrně se stoupající životní úrovní obyvatelstva. Jedním z nejvíce využívaných prostředků dopravy je doprava silniční. Hlavním důvodem její rozšířenosti je především poměrně snadný způsob získávání energie v podobě uhlíkatých fosilních paliv zejména ropných produktů (benzín, nafta). Spalovací motory prošly v minulém století prudkým vývojem a dnes jsou spolehlivým a snadno dostupným zdrojem energie. Právě díky jejich snadné dostupnosti jsou využívány v dopravních prostředcích jako hlavní a téměř jediný způsob pohonu. Od roku 1973 do roku 1986 klesla spotřeba pohonných hmot amerických automobilů ze 17,8 na 8,7 l/100 km, tj. efektivita se zdvojnásobila. [4] Od roku 1986 do roku 1991 však nastalo v tomto směru zlepšení o pouhých 10 %, přičemž experti tvrdili, že do konce tisíciletí je technicky možné přidat pouze dalších 5 až 10 %. Jejich používání má však i své nevýhody. Jednou z nejčastěji zmiňovaných nevýhod je množství emisí škodlivých plynů vznikajících při spalování uhlíkatých paliv. Moderní technologie používané při výrobě současných motorů a zároveň nové požadavky na složení paliv do značné míry tento problém omezují. Jako největší problém se dnes začínají ukazovat světové zásoby ropy. Při současné spotřebě a předpokládaném rozvoji je doba vyčerpání světových zásob ropy odhadována na let.vzhledem k docházejícím zásobám ropy začali lidé před dvaceti lety hledat alternativní zdroje energie. Šlo jim o energii, která bude méně škodit životnímu prostředí a zároveň zaručí, že doprava v budoucnu z planety nevymizí. V automobilovém průmyslu se může využít několik druhů alternativních pohonů. Než se však budou moci tyto alternativy prosadit, bude třeba vyřešit otázky jako výkon, trvanlivost, dojezd a náklady. Doprava a zejména automobilový provoz je dosud převážně závislý na ropě. Cena ropy roste a zásoby stále ubývají. Kromě úsporných opatření snažících se ušetřit benzín a motorovou naftu, se v současné době stal hlavní řešenou úlohou vývoj alternativních pohonných hmot a efektivnějšího způsobu pohonu, protože hospodárnost dopravy se stala prvořadým úkolem národního hospodářství. V rozvinutých zemích je již náhrada pohonné hmoty benzínu a nafty zcela normální. Místo klasických pohonných hmot je možné použít stlačený propan-butan, alkoholy (ethanol,methanol), vodík, bioplyn, případně další paliva. K dostání jsou také modely vozidel nebo úpravy vozidel s hybridními systémy, u nichž se na pohonu zúčastňují dva druhy energie, které se mohou podle potřeby zapojovat střídavě a vzájemně se doplňovat. Zatím jsou nejdůležitější složkou motorových paliv uhlovodíky. Pravděpodobný průběh ukončení těžby ropy v následujících 40ti letech a předpokládaný vývoj spotřeby kapalných paliv z jiných zdrojů je uveden na obrázku. [1] 2

3 2.0 LGP - zkapalněný ropný plyn [1] LPG - jedná se o alternativní palivo pro zážehové motory automobilů. Propan butan je vedlejším produktem při zpracování ropy v rafineriích. V České republice, ani ve všech okolních státech, nejsou s využíváním propan-butanu problémy technické, bezpečnostní ani legislativní. Zkušenosti z provozu potvrzují, že v mnohém je dokonce toto palivo výhodnější nežli benzíny. 2.1 Složení propan - butanu Samotný propan-butan je směs dvou uhlovodíkových plynů, propanu C 3 H 8 a butanu C 4 H 10. Jejich poměr se v palivu mění pro letní a zimní období. V zimě se zvyšuje podíl propanu, který má nižší bod varu (-43 C oproti -0,5 C u butanu), a proto je schopen lépe se odpařovat i při nízkých teplotách. Propan-butan není jedovatý, je pouze nedýchatelný, protože neobsahuje kyslík. Je neviditelný a sám o sobě bez zápachu, ale je těžší než vzduch, takže se drží u země. Je nutná zvýšená opatrnost při manipulaci a opravách, neboť již dvě procenta plynného LPG ve vzduchu tvoří výbušnou směs. 2.2 Problém s LPG Motoristé mají o LPG pohon zájem, aby ušetřili, vítají ho i ekologové vzhledem k ochraně životního prostředí. Záležitost však má jeden nezanedbatelný háček: Propan-butan nemůže benzin nikdy zcela nahradit. Z jednoho sta kilogramů ropy totiž lze vyrobit osmnáct až pětadvacet kilogramů benzinu, ale jen dvacet dekagramů plynu. Pokud by se tedy všichni rozhodli jezdit na LPG, zbyly by v rafinériích miliony tun nepotřebného benzinu. Naopak 3

4 cena propan-butanu, jehož lze vyrobit mnohem menší množství než benzinu, by se vyšplhala do nebetyčných výšin. Je tedy jasné, že LPG benzin nikdy nevytlačí a je bláhové do něj vkládat velké naděje. Může to být pouze doplňkový způsob pohonu, jestliže bude propan-butan zbytkovým plynem při zpracování ropy. Dostáváme se k otázce, jak to, že za těchto podmínek je LPG dvakrát levnější než benzin či nafta. Náklady na jejich výrobu jsou vlastně srovnatelné, rozdíl je způsoben především odlišnou daní. Jestliže u benzinu se spotřební daň podílí na jeho ceně zhruba 33 %, u propan-butanu je toto zatížení přibližně poloviční. Nějakou roli sice mohou sehrát také procenta prodejců, výše zdanění je ovšem pro cenu zásadní. LPG pohon tedy bude levnější jen do té chvíle, dokud se stát nerozhodne na něj uvalit vyšší daň. Úprava běžného osobného automobilu na střídavý provoz benzín tekutý plyn není příliš nákladná. Je nutné osadit ještě jeden zásobník a uzavírací zařízení pro přívod z nádrží. U vozidel s pohonem na tekutý plyn je nádrž umístěná v zavazadlovém prostoru a ostatní zařízení, jako např. výparník, mísící zařízení a uzávěry, jsou umístěny u motoru. [2] 2.3 Výhody a nevýhody LPG Cena pohonu LPG je téměř poloviční při srovnatelném množství benzinu. Spotřeba při použití LPG vzroste pouze asi o tři až deset procent a výkon vozu klesá o zhruba pět až sedm procent. Při tomto pohonu se prodlužuje životnost motorového oleje, protože se v motoru nevytvářejí karbonové usazeniny. Plynový pohon produkuje čistší výfukové plyny. Motor nevylučuje dým, prach, saze, oxidy síry, olovo a jiné látky, jako benzin či nafta, a vytváří méně oxidu uhelnatého a nespalitelných uhlovodíků. U přestavěného vozu zůstává možnost cestovat na benzin, dvě plné nádrže značně zvětší dojezd vozidla. S automobilem upraveným na plynový pohon je zakázán vjezd do některých podzemních garáží. Díky lepšímu spalování vzniká také méně škodlivých spalin než při spalování benzínu nebo nafty. Ve srovnání s benzínem o 80 % méně oxidu uhelnatého a o 30 % méně oxidů dusíku. Dobře seřízený motor v provozu na propan-butan vykazuje v porovnání s benzinovým motorem ve výfukových plynech obsah oxidu uhličitého nižší o čtyřicet procent a aromatických uhlovodíků o dvacet procent. Existují ovšem i stinné stránky použití propan-butanu. Ten neobsahuje olovo ani jiné jeho náhražky, je tedy o něco méně mastný než benzin. Proto jsou třecí plochy ve spalovacím prostoru více namáhány a dochází k většímu opotřebení těchto součástek. Motor je také náchylnější k přehřívání a má nižší životnost svíček. 4

5 3.0 CNG - stlačený zemní plyn CNG se skládá ze směsi plynných uhlovodíků zejména metanu a nehořlavých složek dusíku a oxidu uhličitého. Jeho cena se v současnosti pohybuje dokonce na třetině ceny benzinu. Zatím ho ale v České republice využívá pouze několik dopravců především pro městskou hromadnou přepravu. Čerpadel zemního plynu je v České republice oproti čerpadel LPG o mnoho méně. Projekt na vytvoření sítě čerpadel CNG nicméně již připravuje státní plynárenský podnik Transgas. 3.1 Výhody a nevýhody CNG Jako alternativní palivo má zemní plyn velké využití. Při použití ve vozidlech se spalovacím motorem má oproti jiným palivům, jako jsou nafta a benzín, určité výhody. Při spalování vzniká jen velmi málo sazí a jiných částic. Vzniká méně CO a to průměrně o 40 až 50 %, nižší jsou také emise NOx. Hluk motoru je nižší než u vznětových motorů. Má vyšší odolnost proti detonačnímu spalování. Pokud plyn získáme z přírodně neobnovitelných zdrojů, nevznikají žádné náklady na úpravu v rafineriích, takže jízda na plyn má nižší emise CO2. Podílí se pak méně na vzniku tzv. skleníkového efektu. Zásoba zemního plynu je na relativně dlouhou dobu. Z uvažovaných variant náhrady stále dražší ropy se totiž ukazuje jako nejpříznivější použití zemního plynu. Jeho zásoby jsou podstatně větši než ropy a v případě využití jeho hydrátů ukrytých na dnech světových oceánů by vystačily i na několik staletí. Nevýhodami vozidel poháněných zemním plynem je nižší výkon způsobený nižší výhřevností směsí vzduchu se zemním plynem než u benzínu. U alternativních pohonů na benzín nebo zemní plyn je ztráta výkonu až 15 %, u pohonů s čistě zemním plynem až 12 %. Z těchto důvodů má také zemní plyn menší dojezd. Pro uložení nádrže na plyn je potřeba větší prostor. Množství CNG odpovídající 1 litru klasického paliva [3] palivo množství CNG benzin 0,9 1,0 m3 nafta 1,1 1,2 m3 LPG 0,7-0,8 m3 Podíl oxidu uhličitého v palivech motorových vozidel [3] Palivo Měrná spotřeba [g/kwh] Váhový podíl CO 2 [%] CO 2 [g/kwh] CO 2 =100 [%] CNG LPG , nafta Zemní plyn se svými charakteristickými vlastnostmi je velmi podobný benzínu. Vyznačuje se vysokou odolností proti samovznícení, nebo-li detonačnímu spalování, proto je nutné zapalovat plyn cizím zdrojem. Benzínové motory se proto mohou bez velkých změn přestavět na pohon stlačeným zemním plynem. U vznětových motorů jsou náklady na přestavbu vyšší a je nutné upravit kompresní poměr paliva, ten se musí zmenšit. Nelze použít vstřikovací soustavu, naopak je nutná směšovací a zapalovací soustava s elektronickým řízením. 5

6 3.2 Čerpací stanice Minulý měsíc představila společnost Českomoravská plynárenská novinářům a odborné veřejnosti dosud v České republice nepoužívanou tzv. domácí čerpací stanici pro stlačený zemní plyn. Tato stanice, která může být umístěna na dvoře domu nebo firmy, je napojena na běžnou uliční síť plynovodu. Malé čerpací stanice lze rychle pořídit, mohou být instalovány všude tam, kde je zaveden zemní plyn, a jejich velikost lze libovolně zvětšovat dalším přiřazením kompresoru. V České republice zatím doplňují velice řídkou síť čerpacích stanic na zemní plyn. Postavení veřejných čerpacích stanic, které se skládají z kompresoru, zásobníků plynu a výdejného stojanu, jsou podstatně dražší než tento domácí kompresor. Jeho nevýhodou je pomalé plnění auta palivem, které trvá několik hodin a realizuje se proto v době, kdy vozidlo není v provozu, přes noc nebo při delší přestávce jízdy. Firma zatím nepočítá s dalším rozšiřováním počtu těchto čerpacích stanic v České republice. Většímu prodeji bude bránit cena, která činí dolarů. V České republice v současnosti jezdí na zemní plyn přibližně 350 vozidel, z toho je 250 osobních aut a přes 80 autobusů. Největšími provozovateli vozidel na zemní plyn je Pražská plynárenská se 70 osobními a dodávkovými vozy a ČSAD Havířov, kde jezdí 42 autobusy v městském a příměstském provozu. První autobusy zde byly přestavěny na zemní plyn v roce [4] Veřejných čerpacích stanic na plyn je v tuzemsku devět, dalších pět je určeno pro potřeby firem. Zemní plyn je v současnosti nejlevnější pohonnou hmotou v České republice. Cenově se mu blíží pouze propan-butan(lpg). Stačený zemní plyn stojí od 9 do 12 korun za kubík včetně DPH. Kubický metr plynu je přitom ekvivalentní jednomu litru benzínu. V roce 2020 by každé desáté auto v Evropské unii mělo jezdit na stlačený nebo zkapalněný zemní plyn. V současnosti jich je v Evropě v provozu 425 tisíc, z toho 370 tisíc v Itálii. K dispozici je 900 čerpacích stanic. [4] 4.0 Alkoholy Na rozdíl od propan-butanu se alkoholy, methanol a ethanol, získávají z uhlí nebo biomasy, tj. ze dřeva, obilí, cukrové třtiny i dalších zemědělských produktů. Lze také využít jako pohonnou hmotu směs alkoholu a benzínu. K výrobě pohonných hmot z vlastní produkce biomasy v České republice mohou být žito, pšenice, tritikale. Z obilovin je možné získat až 2-3 t etanolu/ha. Alkohol má menší výhřevnost než benzín a pro vozidlo potřebuje v litrech asi dvakrát tolik pohonné hmoty než při použití benzínu. Kromě toho je alkohol vůči některým plastickým hmotám agresivnější než benzín, proto se některé díly, které se dostanou do styku s pohonnou hmotou obsahující směs více než 10 % alkoholu, musejí vyměnit. 4.1 Pohon alkoholy má několik předností: Především nízkou emisi škodlivin, vysokou antidetonační stálost, tj. odolnost proti klepání není nutná přísada olova, a také vyšší výkon motoru důsledkem lepšího vnitřního chlazení. Závadou u alkoholů je získávání surovin pro výrobu etanolu. Musí se využívat velké plochy půdy, pro výrobu methanolu postavit nákladná zařízení na hydrogenaci uhlí. Tato výrobní odvětví narážejí na mnohé problémy.[5] 6

7 5.0 Hybridní pohon Hybridním pohonem rozumíme kombinace klasického spalovacího motoru a elektromotoru. Ve snaze vyřešit problém omezeného dosahu může být elektromobil vybaven elektrickým motorem a spalovacím generátorem (hybridní elektromobil). Na malé vzdálenosti a v náročném terénu jezdí vůz na elektřinu. Spalovací motor se použije teprve v náročném terénu a na větší dálky. Tím se výkon a dosah spojují s efektivitou, šetrností k životnímu prostředí, nehlučností a nízkými náklady. Hybridní automobil je konstruován tak, aby převzal dobré vlastnosti automobilů klasické koncepce se spalovacím motorem (vysoký měrný výkon pohonné jednotky, která umožňuje vynikající akceleraci i deceleraci vozidla, velmi vysoká hustota výkonu [kw/kg], vynikající hmotnostní parametry, velmi jednoduchý a bezpečný systém doplňování paliva) a elektromobilů, které mají sice vyšší provozní náklady a hmotnost (díky ceně a váze akumulátorů), zato ale využívají energii z akumulátorů s vyšší účinností. Podstatnou výhodou je i možnost rekuperace brzdného výkonu zpět do akumulátorů.výsledkem je automobil, který je podstatně lehčí než elektromobil, má vyšší instalovaný výkon, který je využitelný pro akcelerace. Při rovnoměrném pohybu pracuje spalovací motor v režimu s maximální tepelnou účinností a koncepce hybridního pohonu umožňuje rekuperaci energie při brždění motorem. Celá pohonná jednotka je založena na specifickém propojení spalovacího motoru a vhodných akumulátorů pro akceleraci a deceleraci vozidla. Existuje několik variant uspořádání hybridního pohonu se specifickými výhodami toho či onoho řešení. [6] Aby hybridní vozidlo mělo srovnatelné provozní výkony s vozidlem s klasickým mechanickým přenosem síly, musí být střední hodnota požadovaného výkonu při maximální předpokládané rychlosti srovnatelná s výkonem použité motorgenerátorové jednotky. Výkonové špičky (při akceleraci i deceleraci) však budou hrazeny z akumulátorové jednotky. Spalovací motor tak může pracovat trvale s velkým zatížením v oblasti nejvyšší termodynamické účinnosti, nebo je vypnut. Požadovaný výkon pro zajištění rovnoměrného přímočarého pohybu souvisí zejména s hmotou vozidla, třecími odpory mezi koly a vozovkou a především s odporem vzduchu karoserie. Ten tvoří nejdůležitější složku požadovaného výkonu. Existuje několik možností výroby elektrické energie v mobilním prostředku. Jedná se o nezávislý dopravní prostředek, je nutno počítat s použitím uhlovodíkového paliva v kapalném, plynném nebo tuhém skupenství nebo vodíku s různým způsobem jeho skladování. Protože bezpečnostní i technické problémy se skladováním vodíku v mobilních prostředcích jsou zatím příliš závažné, není tato možnost v současnosti v průmyslovém měřítku využívána a patrně se v následujícím desetiletí nedočkáme v této oblasti zásadnějšího pokroku. Naopak lze v tomto období téměř s jistotou předpokládat všeobecné využívání uhlovodíkového paliva jako primárního energetického zdroje mobilních prostředků. Toto palivo má sice zásadní nevýhody v podobě málo akceptovatelném složení produkt hoření v případě spalovacích motorů, ale na druhé straně je zatím jako palivo relativně levné (v porovnání s vodíkem), má technicky snadno řešitelné problémy se skladováním a distribucí prakticky kdekoliv na zeměkouli a samo o sobě zaručuje konstrukci motoru s vysokou výkonovou hustotou, naprosto nedostižitelnou jinými typy akumulace energie. 5.1 Přeměny uhlovodíkového paliva Vlastní převod chemické energie uhlovodíkového paliva na elektrickou energii je prováděn několika možnými způsoby. 1. Spalovací pístový motor s vnitřním spalováním mechanicky spojený s generátorem. 7

8 2. Spalovací motor lopatkový (turbina) s generátorem. 3. Spalovací motor s vnějším spalováním (Stirling motor) s generátorem 4. Spalovací motor (pístový nebo lopatkový) s vnějším spalováním a s parním (Rankinovým) cyklem ve spojení s generátorem. 5. Palivový článek se zařízením pro přeměnu uhlovodíkového paliva na vodík, s pomocí vzdušného kyslíku přímá přeměna na elektrickou energii. 6. Ostatní Výběr alternativy převodu je determinován mnoha dalšími okolnostmi. V prvé řadě určuje alternativu požadovaný výkon zařízení, předpokládanou účinnost, cenu, spolehlivost, životnost atd. 5.2 Vedlejší systémy a agregáty v automobilech. K dosažení tak vysokých cílů ve snížení emisí a tím pádem i spotřeby paliva však nestačí pouze opatření na úrovni motoru. Bude zapotřebí další optimalizace celého hnacího ústrojí i ostatních systémů a vedlejších agregátů. Kromě toho připravované komfortní a bezpečnostní systémy ještě zvýší energetickou potřebu. Již dnes nabízí Bosch automobilovým výrobcům generátory, které dosahují ještě nedávno neuvěřitelné účinnosti až 72 % při jmenovitém napětí 14 V. Toto zvýšení účinnosti tvoří nikoliv nepodstatný příspěvek pro snížení spotřeby: ve srovnání s běžně dostupnými generátory je možno ušetřit až 0,5 litru paliva na 100 kilometrů. V budoucnosti dojde k elektrifikaci celého hnacího ústrojí. To znamená, že elektrická jednotka integrovaná v tomto ústrojí nastartuje spalovací motor a bude ve svém generátorovém pracovním režimu zajišťovat elektrický výkon pro palubní elektrický systém automobilu. Tento agregát nahradí dnešní startér a alternátor. Vyšší stupeň integrace bude představovat startovací generátor klikového hřídele. V tomto případě bude generátor elektrického proudu namontován přímo na klikovém hřídeli mezi motorem a převodovkou. Konstrukce bude vhodná i pro zajištění vyššího elektrického výkonu palubní sítě vozidla, který bude potřebný pro další generaci automobilů. Na rozdíl od již zmíněného řešení s použitím řemenového pohonu se bude jednat o zásadní zásah do celkové konstrukce hnacího ústrojí. Náklady na zavedení tohoto systému lze odůvodnit pouze v případě, že u nové generace vozidel stejně dojde k novému celkovému řešení. Je zřejmé, že řízení v reálném čase popisovaného systému představuje zajímavý problém, jehož vyřešení určí, zdali je celá myšlenka motoru jako převodníku chemická energie paliva elektrická energie realizovatelná. Taková jednotka by byla perspektivním zdrojem energie především v sériových hybridních vozidlech, ale její využitelnost by patrně mohla být mnohem všestrannější. Jediným konkurentem v této oblasti jsou palivové články, které sice mají poněkud větší účinnost přeměny, avšak z hlediska ceny i z hlediska dosahované výkonové hustoty představuje lineární motor stále nadějnější alternativu. [6] 8

9 6.0 Vodík Jedním z náhradních paliv budoucnosti by mohl být i vodík, jehož zásoby ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. Z hlediska ochrany životního prostředí je spalování vodíku čistší než spalování fosilních paliv, vznik vody není provázen toxickými sloučeninami ani skleníkovými plyny. Zatím ale ještě není jasné, která z technologií výroby vodíku je nejvýhodnější, jak lze vodík skladovat ve velkém, jak nejlépe ho bez nebezpečí výbuchu dopravovat na velké vzdálenosti, z čeho a jak by se měly konstruovat vodíkové motory, kam by se měly umístit palivové nádrže a kolik to všechno bude stát. V průmyslovém měřítku se dá vodík vyrábět jednak petrochemickými procesy včetně zplyňování uhlí a jednak elektrolýzou vody. Vodík je významným vedlejším produktem nebo součástí plynů odcházejících z rafinerií, koksáren a elektrochemických výrob na bázi vodných roztoků anorganických kyselin nebo solí. Se zplyňováním uhlí se samozřejmě nepočítá (zásoby budou vyčerpány). Za perspektivní postupy se považují: elektrolýza vody, termické štěpení vody a zplyňování odpadní biomasy. 6.1 Petrochemické procesy Petrochemické procesy představují 90 % výroby vodíku. Vstupem je uhlovodíkové palivo a tepelná energie, výstupem čistý vodík, CO 2 a další, méně podstatné složky. Jestliže tímto způsobem budeme vodík využívat pro pohon automobilů, letadel nebo lokomotiv, v globálním měřítku to nebude mít na omezení skleníkových plynů velký vliv. Navíc to bude dražší, než když původní uhlovodíkové palivo spálíme v automobilech rovnou. Rozdíl je v distribuci skleníkových plynů: Buďto bude jeden velký komín v jedné lokalitě produkovat ve velkém CO 2 a všechny automobily budou jezdit bez emisí skleníkových plynů, nebo budou miliony malých výfuků optimalizovaných automobilů produkovat skleníkové plyny plošně na celém území (současný stav). 6.2 Elektrolýza vody Elektrolýza vody je ekologicky úplně čistá. Nevznikají při ní skleníkové plyny a kyslík, který se vyrobí zároveň s vodíkem, bude mít dobré průmyslové využití. Tento způsob výroby vodíku lze však chápat jako akumulátor energie. Protože se elektrická energie nedá skladovat, skladuje se zatím obvykle ve formě potenciální energie vody (přečerpávací elektrárny). Výrobou vodíku a jeho dalším spalováním či přeměnou na elektrickou energii palivovými články kdykoli a kdekoli by se dalo velmi úspěšně vyřešit skladování elektrické energie. Potíž je v tom, kde vzít tak obrovské množství levné elektrické energie, aby se vodík stal běžným palivem automobilů apod. 6.3 Nevýhody při použití vodíku U automobilů nastávají potíže při konstrukci nádrže. Vysokotlaké láhve jsou těžké a nikoliv ve všech případech zcela spolehlivé. Odborníci se pokoušejí tento problém obejít a přeměnit vodík chemicky v jinou látku, např. v hydroxidy kovů, které se zahříváním rozkládají za uvolnění vodíku. Problémem také zůstávají oxidy dusíku vznikající ve spalovacím prostoru vodíkového motoru. Jejich množství závisí na přebytku kyslíku, teplotě, tlaku a době zdržení spalin při vysokých teplotách ve spalovacím prostoru. Co se týče exhalací oxidu uhličitého a uhlíkatých sloučenin z vodíkového motoru, ukázaly analýzy, že jsou minimálně o tři řády nižší než u stejně silného motoru spalujícího benzin, naftu či zemní plyn. Všechny exhalace ve vodíkovém motoru přitom pocházejí z tepelného rozkladu motorových olejů ulpívajících na stěnách válců, popřípadě mazacích a těsnicích turbinových olejů. Nelze však opomenout, že z charakteru hoření, které je u vodíku výrazně rychlejší, vyplývá poměrně vysoká, 9

10 dle provozních podmínek motoru až o řád vyšší koncentrace nenasycených uhlovodíků (zejména benzenu) ve spalinách. Při praktickém využití vadí jeho hořlavost a výbušnost směsí vodík-vzduch. Za normální podmínek je vodík plyn bez barvy a zápachu. Výbušnost směsi vodíku se vzduchem vyžaduje přísná bezpečnostní opatření ve všech prostorách, kde se s vodíkem manipuluje, zejména pak v těch uzavřených. Tato opatření se budou vztahovat i na prostory pro řidiče a pasažéry dopravních prostředků poháněných vodíkovými motory. Nízká hustota vodíku oproti vzduchu vyvolává intenzivní promíchávání směsi plynů, a tím rychlý vznik velkého objemu výbušné směsi v širokém rozmezí koncentrací. Lidskými smysly nelze únik vodíku do atmosféry poznat. Bude nevyhnutelné používat detektory hořlavých plynů, které jsou schopny registrovat již 10 % dolní meze výbušnosti směsi vodíku se vzduchem. Zacházení s vodíkem je problémové a má velké energetické nároky. Při jeho zkapalňování se musí zchladit na teplotu -253 C. Pro transport a skladování vodíku přichází prakticky v úvahu jenom jeho kapalná forma, nicméně i ta je pro tankování choulostivá, takže musí být prováděno robotem. Bohužel samotná výroba vodíku je náročná na elektrickou energii, ale lze ho vyrábět v neomezeném množství. Dnes se v osobních automobilech poháněných zemním plynem místo ocelových tlakových láhví využívají tlakové nádoby z kompozitních materiálů na bázi aramidových nebo uhlíkových vláken a syntetických pryskyřic. Mají při shodném provozním tlaku třetinovou hmotnost, jednodušší konstrukci a nižší cenu. Jejich použití pro stlačený plynný vodík je v principu také možné, ale akční rádius vozidel se oproti použití zkapalněného vodíku sníží. První veřejná stáčecí stanice vodíku v Evropě byla otevřena v lednu 1999 v Hamburku. Využívá ji autopark hamburských podnikatelů. V r stačilo jedno načerpání vodíku na 150 km jízdy, ale nákladově byl vodík vůči benzinu nekonkurenceschopný. Významný nástup vodíku jako nosiče energie - paliva - lze proto očekávat až v "postropném věku".[7] 7.0 Sluneční energie Využití elektrické energie pro pohon vozidla není nikterak nový. První elektromobil napájený z baterie vyjel 29. dubna 1899 ve Francii. S využitím elektrické energie, získávané z baterií v dopravě, úzce souvisí i využití sluneční energie získávané z autonomních zdrojů. Oba dva druhy pracují na téměř podobných principech, rozlišující se způsobem získávání samotné elektrické energie. Automobily nemají autonomní zdroj elektrické energie pro přímou zásobu pohonu energií. Jsou závislé na využití energetické sítě. I tato energetická síť by mohla získávat elektrickou energii ze stacionárních zdrojů sluneční energie. Dopravní prostředek napájený z elektrické sítě má značné požadavky na akumulaci energie a s tím úzce souvisí požadavky kladené na akumulátory. Ty mají řadu nevýhod: velikost, hmotnost a zejména pak jejich recyklovatelnost a vliv na životní prostředí. Dalším problémem, dosti rozhodujícím, je umístění samotných fotovoltaických panelů. Fotovoltaické panely je nutné umístit tak, aby energetická výtěžnost byla co největší. Cílem je maximum energie při dlouhodobém užívání. Fotovoltaické panely musí být umístěny na nestíněném povrchu dopravního prostředku, technické stavby atd. Jsou obráceny aktivní stranou, šikmo, svisle, ovšem pro použití na dopravních prostředcích bude jejich poloha a umístění závislá na konstrukčním uspořádání daného prostředku. Nejčastější polohou umístění panelů na dopravním prostředku je horizontální, v takovém prostoru, který je nejvíce vystaven slunečnímu záření. Při použití fotovoltaických panelů musíme také počítat se zeměpisným pásmem, v kterém se bude prostředek pohybovat, z důvodu naklonění slunečního orbitu 10

11 vzhledem k zemskému povrchu a s tím úzce spojená intenzita slunečního záření dopadajícího na zemský povrch nebo energetickou plochu dopravního prostředku. Z toho vychází nutnost takového konstrukčního řešení, které by umožňovalo klonění panelů pro maximální využití slunečního záření. Všechna vozidla, lodě nebo letadla využívající sluneční energii jsou v dnešní době vyvíjena spíše experimentálně a v jednotlivých kusech, protože jejich sériová výroba by byla zcela nerentabilní. Jejich užitnost pro dopravu nákladu, nebo více osob je téměř nulová. Výkon vozidla ani jeho konstrukce není dimenzovaná více jak pro nutně potřebné systémy a obsluhu. V současné době je největší využití solární energie právě v kosmickém průmyslu. Jako zdroj energie pro družice nebo vesmírné stanice, pro které je fotovoltaická technologie předpoklad pro úspěšnou existenci v kosmu. V budoucnosti nemůžeme nikdy počítat s tím, že dojde ke stoprocentnímu využití solární energie jako pohonu pro takové vozidla, které budou určena pro seriózní dopravu. Využití solární energie v budoucnosti v dopravě by mohlo dojít v kooperaci s jinými prvky pohonného systému. Například kombinace vodíku a právě solární energie. Energetický průmysl třetího tisíciletí by tak mohl být postaven na dvou základních pilířích: Slunci a vodě. 8.0 Bionafta Biopalivo pro vznětové motory je dnes všeobecně známé pod pojmem bionafta. Jde o ekologické palivo pro již zmíněné vznětové motory na bázi metylesterů nenasycených mastných kyselin, popřípadě tuků čistě rostlinného původu. Bionafta se vyrábí chemickým procesem zvaným reesterifikace z rostlinných olejů, které se získávají např. lisováním semene řepky olejné. Tímto postupem vzniká MEŘO (směs methylesterů mastných kyselin řepkového oleje) a vedlejší produkt surový glycerin. Přesněji jde o chemickou reakci s metanolem (za přítomnosti alkalických hydroxidů jako katalyzátorů), která probíhá v závislosti na zvolené technologii za běžné nebo zvýšené teploty. Získaný MEŘO se odděluje od vedlejšího produktu - surového glycerinu a čistí. MEŘO čirá nažloutlá kapalina bez chemických nečistot a viditelné vody je neomezeně mísitelná s motorovou naftou. Je netoxická, neobsahuje těžké kovy ani žádné látky škodlivé zdraví. Je agresivní vůči běžným nátěrům a pryžím. Smyslem chemické přeměny na MEŘO je přiblížit výsledné vlastnosti tohoto paliva parametrům klasické motorové nafty vyráběné z ropy. Vyplývá to i z porovnání některých typických vlastností řepkového oleje, MEŘO a motorové nafty. Ukazatel Motorová nafta MEŘO kinematická viskozita (mm/s): 0 C 20 C 100 C , ,3-8,1 1,7 cetanové číslo měrná hmotnost (kg/l) 0,8-0,86 0,87-0,88 bod vzplanutí ( C) bod tuhnutí ( C) 0-(-12) -7 11

12 Elementární složení bionafty s motorovou naftou.[9] obsah (%) motorová nafta bionafta C 86,5 až 87,0 76,5 až 77,5 H 13 12,1 až 12,3 O - 10,4 až 11,0 S < 0,15 <0,0023 Technologické schéma výroby MEŘO a využití (plus vedlejších produkty) [9] Řepk ové semeno Řepkové výli sky Řepkový olej Krmné směsi Methylester (MEŘO) Surový glycerin Ekologické palivo pr o vz nětové motory + ροπν προδυκτψ Ραφιναχε Vícekomponentní bionafta Čistý glycerin Palivo do vznětový ch motorů (ek ologi cké při obsahu obsahu MEŘO >30%hm Po získání methylesteru řepkových kyselin se zbavujeme přebytečného methylalkoholu a vyloučeného glycerolu.takto přečištěný methylester se mezinárodně označuje jako RME, u nás jako MEŘO a je základní palivovou složkou, která sama o sobě již může sloužit jako palivo pro dieselové motory. V tomto případě mluvíme o bionaftě první generace. Může se také stát složkou vícekomponentního paliva pro diesely, pak hovoříme o bionaftě druhé generace či také o směsné naftě (tvořené směsí dvou nebo více palivářských komponent) tzv. NATURDIESEL. Formulace bionafty první a druhé generace 8.1 Bionafta první generace: Označení:[9] MEŘO 5 - pro letní provoz MEŘO 15 pro zimní provoz Výhody: - Jde o biologicky rozložitelné palivo dle CEC-E33-A93 - Má vyrovnanou uhlíkovou bilanci, kdy po spálení paliva je produkce CO 2 nižší na výstupu než na vstupu. Nevzniká skleníkový efekt - Je tu morální i faktický doklad o možnosti přežití spalovacího motoru i v příštím století - Je to alternativní palivo velmi podobné motorové naftě. - Dává možnosti rozvoje zemědělské výroby a využití domácích zdrojů - Lze zásobovat ekologicky ohrožené oblasti CHKO a velká centra měst tímto palivem - Toto palivo je bez síry, bez aromátů, bez polyaromátů (PAH) 12

13 - Kouřivost vznětových motorů klesá méně jak na 50% oprotitradičnímu palivu. - Její parametry jsou přesně normovány = ČSN Nevýhody: - Jsou jen omezené možnosti výroby maximálně t za rok, uvažujeme-li o naší letošní produkci t zrna za rok, což činí cca 5% spotřeby motorové nafty - Toto palivo 1.generace má menší výhřevnost : 37.8 MJ kg -1 pro MEŘO, komerční EHK nafta 43.5 MJ kg -1 a bionafta druhé generace má 42,1 MJ kg -1, tj. v poměru EHK:MEŘO: NATURDIESEL = 100:86,8:96,8. To znamená že stoupá spotřeba přibližně o 7,5-8% - Vykazuje špatný vliv na olejovou náplň, dochází k želatinizaci oleje a je nutná výměna v 50% intervalu - Vadne výkon motoru, nutno jej dekarbonizovat - Je agresivní vůči plastům a vůči laku. - Chladové vlastnosti jsou horší než u bionafty 2.generace. V současné době se bionafta první generace (MEŘO) používá pouze jako komponenta do bionafty druhé generace. V síti čerpacích stanic v ČR je možné zakoupit v současné době pouze NATURDIESEL. 8.2 Bionafta druhé generace (NATURDIESEL,,,Ekomix ): Obsahuje: - 30 % MEŘO - 70 % a-alkany a bezsirný střední destilát Výhody: - Je to nafta vícesložková, většinou 3složková - Je biologicky rozložitelná z 90% za 21 dnů, podle tesu CEC Porovnání kinetiky biologického odbourávání bionafty a motorové nafty [9] 13

14 - Jednotlivé složky bionafty (MEŘO, ALKANY C10 - C13, či C14 - C 18, hydrogenačně odsířený plynový olej či petrolej z hydrokraku a alkény či olefiny ve formě NERATENu) jsou domácího původu - Výhřevnost se blížící komerční naftě 42,1 MJ kg -1 - Motorářské a palivářské vlastnosti téměř totožné s naftou EHK - Naturdiesel obsahuje jen 1/3 MEŘO, vykazuje výborné exhalace,nízkou kouřivost (až o 50% nižší), -spotřebu téměř srovnatelnou s EHK naftou. Je misitelná s běžnou naftou v jakémkokoliv poměru. - Emise jsou bez aromátů, bez SO 2 a polyaromátů (PAH) - Motory nevykazují žádné změny na výkonu a intervaly výměny oleje jsou normální - Velmi dobrá maznost - Chladové vlastnosti jsou výborné díky petrolejové frakci a Neraténu - Bionafta má vynikající cetanové číslo - Nízká karbonizace obdobná jako u EHK nafty - Byla dosud ekonomicky zvýhodněna pouhými 5% daně. 8.3 Společné nevýhody bionafty I. a II. generace - Chování při nízkých teplotách (bionafta II. generace má použitelnost do 25 C a bionafta I. generace jen 7 C) - Sklon k polymerizaci - Hydrolytická a oxidační nestabilita Mikrobiální rozklad (Největší slabinou bionafty je její chemická nestabilita. Zvláště když je auto na delší dobu odstaveno, palivo polymeruje a vzniklé pryskyřice mohou následně motor zcela zničit.) Při přechodu na NATURDIESEL není nutné vyměnit palivový filtr, čistit palivovou nádrž ani vyměnit pryžové díly (hadičky), ale doporučuje se to zejména v případě, když jde o systém již značně dlouhou dobu užívaný, nebo když je nádrž paliva léta nečištěná a zavodněná. Větší množství vody v nádrži vadí. Je tu nebezpečí hydrolýzy MEŘA. V menším množství je možné ji vyvázat přídavkem VELFOBIN. Pokud je ovšem v nádrži vody větší množství, pak je nutné ji důkladně vyčistit. Změna ve výkonu motoru a spotřebě je sotva postřehnutelná. To je hlavní výhoda oproti bionaftě 1. generace, kde výkon motoru i při laickém posouzení znatelně klesne a spotřeba stoupne. [10] Dotacemi na trvale obnovitelné zdroje energie její výrobu a užívání podporuje také Evropská unie ve svém programu zemědělské produkce pro technické účely. Každá země má s bionaftou vlastní zkušenosti. Například v Německu, které je považováno v této oblasti za evropskou jedničku, se jezdí na čistou bionaftu. Ve Francii ji asi z pěti procent přimíchávají do běžné motorové nafty, aby se vylepšily její ekologické vlastnosti. Česká republika šla zprvu cestou, která se osvědčila v Německu. Nakonec však byla tato cesta opuštěna, zejména proto, že čistá bionafta byla mnohem dražší než obyčejná motorová. Motory, které dříve běhaly na klasickou naftu, se po přechodu na čistý metylester začaly zanášet, protože bionafta rozpouštěla usazeniny z motorové nafty. Mnozí uživatelé si stěžovali také na to, že stroje, v nichž používali neředěnou bionaftu, měly podstatně nižší 14

15 výkon a vyšší spotřebu. Navíc v zimě, kdy teplota klesla pod minus 10 C se s nimi nedalo vůbec pracovat. Skomírající zájem o toto ekologické palivo zastavilo až schválení výroby bionafty druhé generace (MEŘO + CITY), tzv. směsné v roce Ta vzniká smísením čistého metylesteru řepkového oleje a motorové nafty, zhruba v poměru 30 : 70 (bionaftu tvoří z 31 % metylestery a ze 69 % běžná motorová nafta). Uvedeným postupem vzniká velmi dobré palivo, které je srovnatelné s klasickou motorovou naftou. Nejvíce kritizované vlastnosti čistého metylesteru - rozpouštění usazenin motorové nafty v motoru, velká agresivita vůči pryžovým součástem nebo neschopnost stroje pracovat při nižších teplotách byly mícháním do značné míry eliminovány. Směsná bionafta tak může pracovat při teplotách až minus 25 C. Výkon motoru poháněného bionaftou je podle Martina Wolfa, ředitele Svazu pěstitelů a zpracovatelů olejnin jen asi o pět až deset procent nižší než u běžné nafty. Ekologický aspekt je přitom více než zřetelný. Zatímco motorová nafta se rozkládá v půdě několik měsíců a nerozložitelných zůstane asi 40 procent, směsná bionafta se rozloží za několik týdnů prakticky beze zbytku. Největším distributorem bionafty pro potřeby běžných motoristů je OMV. Také Čepro má ve svých prodejních skladech k dispozici bionaftu, přičemž jejich zákazníky jsou především zemědělci. Zvýšení zájmu mohou napomoci výrobci a dovozci dopravních prostředků, kteří by svým zákazníkům doporučili užívat bionaftu. V České republice je však ochota těchto firem spíše menší, pouze mladoboleslavská automobilka Škoda Auto doporučuje bionaftu pro modely Octavia s dieselovým motorem. Jiní výrobci v obavě, že lze při míchání, vědomě s cílem se obohatit, poškodit zákazníka a dát mu bionaftu ve špatné kvalitě, od ní raději odrazují. Jak uvedl například Karel Samec z tiskového odboru Škody Plzeň, automobilka Tatra využívání bionafty nedoporučuje. Podle vyjádření Petra Svobody, vedoucího kanceláře generálního ředitele Zetoru Brno, není velkým příznivcem tohoto paliva ani největší tuzemský výrobce traktorů. Naopak přední výrobci zemědělských a stavebních strojů v Německu, příkladně Mercedes - Benz, Case, New Holland nebo John Deere, nemají k používání bionafty žádné námitky. Kvalitu bionafty, která může mít v případě nevhodného míchání komponentů negativní vliv na chod motoru, hlídá Česká obchodní inspekce. Firmy, které si váží svého jména, si navíc každou novou dodávku kontrolují samy. [11] 8.4 Vývoj MEŘO v ČR a EU Stávající domácí kapacity na výrobu MEŘO činí zhruba tun ročně, domácí trh by byl ale schopen absorbovat tohoto produktu ještě o 20 až tun více. To však za předpokladu zásadní změny současného využití MEŘO v pohonných hmotách. V řadě zemí EU je totiž běžné přidávat MEŘO do klasické nafty v poměru do pěti procent automaticky, dokonce na základě zákona. Tím se zároveň naplňují mezinárodní závazky o vyšším využití obnovitelných zdrojů, zároveň mají zemědělci garanci odbytu své suroviny (řepky), a navíc je takový systém výrazně levnější než současná dotační podpora výroby bionafty v ČR. Pěti procentní,,přívažek MEŘO v klasické naftě se totiž cenově výrazně neprojeví, podle aktuální situace jde zhruba o korunu na finální výrobu. Větší problém je zřejmě ale v nevelké ochotě rafinérské lobby,,přepustit pět procent trhu s naftou zemědělcům. V budoucnosti tak ale patrně budou muset učinit, právě v souvislosti s harmonizací uplatnění MEŘO obvyklou v EU, byť generálně závazné pětiprocentní přidávání MEŘO do klasické nafty v unii zatím neexistuje. Přestože je zřejmé, že prostor pro vyšší výrobu MEŘO v ČR existuje, ale jen pro takové subjekty, které disponují dostatečně efektivní technologií. 15

16 8.5 Konkurenceschopnost Základem pro cenovou konkurenceschopnost všech následných produktů z řepky je ovšem efektivita jejího pěstování zemědělci. Předpokládané ceny této komodity se totiž budou po několik nejbližších let pohybovat v pásmu od 6000 do 7000 Kč, takže k tomu, aby zemědělec na řepce vydělal, musí dosáhnout určitého hektarového výnosu. Na produkci řepky pro výrobu bionafty stát zatím stanovil relativně mírný výnos 2,5 tuny z hektaru, zemědělci by ale měli počítat s tím, že hranice rentability se bude pohybovat kolem 2,8 tuny z hektaru a výborné hospodaření výsledky lze očekávat při výnosech od tří tun z hektaru výše. To je jedna stránka mince. Ta druhá, strategická, hovoří o tom, že podpora pěstování řepky v EU se postupně snižuje a snižovat bude, přičemž důvodem je nepsaná dohoda mezi EU a USA o uvolnění evropského trhu pro odbyt zaoceánské sóji. To ale v zásadě není negativní zpráva: signál z EU totiž znamená, že pěstování řepky zemědělci ze současných členských zemí EU částečně ustoupí, a v zemědělství obecně platí pravidlo, že nejvíce vydělá ten, který produkuje to, co ostatní ne. Takže šance pro uplatnění řepky jak na domácím, tak na evropském trhu existuje a bude spíše existovat. [12] 9.0 Závěr: Musíme si připustit jeden důležitý a nezanedbatelný fakt, a to, že zásoby fosilních paliv jsou vyčerpatelné a hlavně neobnovitelné. Z toho vyplývá nutnost hledání nových alternativních zdrojů energie a paliv. Jsou si toho vědomy organizace, které se zabývají touto problematikou, ale také organizace, které vývoj alternativních paliv financují. Mezi ně patří i Evropská unie. Evropská unie se snaží administrativními kroky podpořit využití plynu v dopravě. V prosinci loňského roku přijala Evropská komise akční plán a dva návrhy směrnic zabývající se využitím alternativních paliv v dopravě. Akční plán nastínil další postup k dosažení náhrady benzínu a nafty v roce 2020, a to z jedné pětiny. Tato náhrada by měla být provedena za využití bioplynu a skládkového plynu, dále zemním plynem a v poslední fázi pak využitím vodíku ve spalovacích motorech a palivových článcích.[4] Budoucnost a vývoj pohonných hmot budou muset udávat alternativní zdroje energie a paliv, protože to je zatím nejvýhodnější způsob náhrady pohonných hmot s přihlédnutím k potřebnému množství, výkonu a životnímu prostředí. 16

17 Použité informační zdroje [1] Kára, Jakub. Předpokládané užití alternativních paliv s důrazem na užití derivátů etanolu a rostlinných ,[cit ]. Dostupné z :< [2] AGV. [online]. [cit ]. Dostupné z :< [3] ENERG. spol.s.r.o. Využití zemního plynu k pohonu vozidel. [online] [cit ]. Dostupné z :<htpp:// [4] Profit. Smrčka Vít. Č. 43(říjen 2002). Praha : Stantford,a.s Vychází týdně. ISSN [5] Machalíková Jaroslava. Provozní hmoty automobilové dopravy. 1. vydání. Till Břetislav. Bratislava: ALFA, [6] Vysoký Ondřej. Lineární spalovací motorgenerátor a jeho řízení. [online]. [cit ], dostupné z :< [7] RICHTER, M., FARSKÝ, M. Vodík palivem budoucnosti: od Verneovy vize k ceně za litr vodíku. Vesmír roč. 80. č. 10. s ,572. [8] Joska Josef. Využití bionafty v dopravě. [online] [cit ]. Dostupné z :<http\\ [9] Matějka, Jan. Životní prostředí. Machalíková Jaroslava. Zápisy z přednášek [10] KOVÁŘ Jiří. Alternativní palivo pro naftové motory: NATURDIESEL. [online]. [cit ]. Dostupné z :< [11] Profit. Barták Petr. Č. 31( červenec 1998). Praha : Stantford,a.s Vychází týdně. ISSN [12] Profit. Havel Petr. Č. 48(listopad 2002). Praha : Stantford,a.s Vychází týdně. ISSN