Ekologická maziva a aspekty jejich použitelnosti v kogeneračních jednotkách

Transkript

1 Ekologická maziva a aspekty jejich použitelnosti v kogeneračních jednotkách M. Kantor Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2, Brno, Česká republika Abstrakt Mazání kogeneračních jednotek je velice problematická záležitost. Při provozu jednotky vzniká velké množství použitého oleje ( pokud je použit běžný pístový motor ), který je třeba dále uvažovat buď jako odpad nebo jako palivo, ovšem s narůstajícími nároky na ekologii je snahou co nejefektivněji využít tento olej, a proto se nabízí možnost využít jej jako palivo v této jednotce. Aby toto bylo možné je zapotřebí k mazání užít ekologického maziva na bázi metylesteru mastných kyselin jež je běžně přírodně odbouratelné. Ovšem tyto oleje sebou přináší problémy s jejich nestabilitou při dlouhodobém použití a míšením s ropnými produkty. Tento článek se snaží popsat problémy spojené s užíváním ekologických olejů, naznačit základní problémy s jejich odbouráváním a potřebnými parametry jež musí splňovat. 1. Úvod 1.1. Kogenerace Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla ( anglicky "co-generation" ). Jedná se o velice účinný způsob využívání energie. Principem kogenerace je využít teplo, které jinak při výrobě elektrické energie odchází bez užití. Dnešním trendem je získávat co největší množství energie s co nejnižšími náklady na její výrobu, přičemž takto získaná energie by měla být co nejekologičtěji získána. Z tohoto důvodu se ke konci 20. století začalo velice radikálně uvažovat se získáváním energie z obnovitelných zdrojů. Jedním z odvětví získávání takovéto energie je energie Biomasy Biomasa Tento pojem zahrnuje veškerou organickou hmotu vzniklou na živočišném či rostlinném základě. Pojem Biomasa je velice rozsáhlý, takže pro další text nám postačí, když si z něj vezmeme pouze tu část zabývající se získávání energie z rostlinných olejů. Pro výrobu energie z takto vzniklých zdrojů je zapotřebí jistých pochodů jimiž jsou např. chemické přeměny, chemické přeměny ve vodním prostředí či biologické přeměny. Zde v tomto článku nás nejvíce bude zajímat chemická přeměna ve vodním prostředí jež vede přes esterifikační technologii až k mazacím olejům vznikajících výrobou z řepkových či slunečnicových semínek. Produkty takovéto technologie jsou potom řepkový ( MEŘO ) a slunečnicový olej. Těmito oleji jsme v dnešní době schopni jak mazat tak pohánět spalovací motory nejen kogeneračních jednotek Kogenerační jednotka Kogenerační jednota je v podstatě běžný spalovací motor - např. klasický pístový motor v sestavení s dalšími strojními prvky jimiž ve většině případů jsou: generátor, řídící systém, mezichladič, výměník či tlumič hluku. Spalovací motory v jednotce jsou upraveny tak, aby v nich bylo možno spalovat hmotu z biomasy ( bioplyn, olej, atd. ). Obr. 1 Kogenerační jednotky TEDOM [ 3 ] - 1 -

2 Obr. 2 Blokové schéma kogenerační jednotky [ 5 ] Na Obr. 2 je vidět schéma běžné kogenerační jednotky se spalovacím motorem. Z obrázku je patrné, že mazací olej je cyklicky namáhán, v motoru zahříván mimo motor je chlazen. Na Obr. 3 a Obr. 4 jsou vidět vnitřní části ( spalovací motor ) kogenerační jednotky. Obr. 3 Základ kogenerační jednotky [ 3 ] Obr. 4 Řez kogenerační jednotkou ABB [ 4 ] 2. Motory kogeneračních jednotek a problémy spojené s jejich mazáním 2.1. Základní informace V dnešní době se používá více druhů motorů pro spalování kapalných, plynných či pevných paliv. Každý typ motoru sebou přináší jistý druh problémů či nedostatků při získávání energie. Mezi nejrozšířenější zatím patří modifikované pístové spalovací motory, které mají za sebou dlouhá léta vývoje a jejich nedostatky jsou zahnány za meze dnešních technologií, ale setkáváme se u nich s problémy při mazání. Na druhou stranu se v poslední době, a do budoucna zdají být velice schopné Stirlingovy motory, které nejsou dotažené do takových mezí jako klasické pístové motory, ale na - 2 -

3 druhou stranu nemají takové problémy s mazáním Pístové spalovací motory Pístové motory v kogeneračních jednotkách jsou dosti častou záležitostí, a to hlavně z důvodu jejich značného rozšíření a právě jednoduché modifikovatelnosti pro tato energetická zařízení. Obr. 6 Stirlingův motor TEDOM řez [ 3 ], [ 6 ] Obr. 5 Pístový spalovací motor [ 9 ] U těchto typů motorů ( Obr. 5 ) dochází k většímu znečišťování mazacího oleje, protože dochází ke kontaktu oleje se spalinami ve válci motoru. Olej je poté kontaminován prvky, které jej znehodnocují, olej degraduje a je potřeba vyměnit za nový. Zde je právě celkem problematické užití rostlinného oleje, který velice rychle stárne, a není tak stabilní jako ropný produkt. Právě zde se nabízí možnost opotřebený olej za běhu vyměňovat za nový a tento použitý znečištěný přefiltrovat a přimíchat do paliva Stirlingovy motory Jako další alternativní typy motorů se v posledních asi třiceti letech začínájí objevovat Stirlingovy motory [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ]. Tyto motory se ukazují jako velice dobré pro právě stacionární aplikace jakou jsou kogenerační jednotky, solární jednotky a další. Již několik společností na světě se začíná ubírat právě tímto směrem. U tohoto motoru ( Obr. 6 ) nedochází ke styku mazacího oleje se spalinami. Veškeré spalování probíhá mimo motor, takže problém s použitím maziva rostlinného původu odpadá, jelikož zde není nic co by podporovalo ve větší míře degradaci mazacího oleje. Z funkčního hlediska Stirlingova motoru vyplývá, že nemá význam řešit problém s míšením rostlinného oleje s nečistotami ze spalin tak jako je tomu u klasických pístových spalovacích motorů. Z hlediska použitelnosti jsou tedy zde ekologická maziva použitelná ve větší míře než u pístových spalovacích motorů. 3. Jaké vlastnosti by měl mít olej pro kogenerační jednotky Motorový olej je velmi složitý technický produkt, jenž má řadu parametrů, podle kterých je klasifikován a tříděn. Pro správnou volbu oleje je zapotřebí znát jaké vlastnosti jsou směrodatné a podle nich určovat mazivo. Jako dva nejzákladnější parametry, na které při výběru oleje hledíme jsou: viskozita oleje a výkonnostní kategorie oleje. Mezi výrobci kogeneračních jednotek se podstatě zavedl požadavek na vícestupňové "multigrade" oleje viskozitní třídy SEA 40. Z Obr. 7 je vidět, že tyto oleje jsou vlastně pro motory nejideálnější, jelikož můžou pracovat, a měly by být stabilní i za vyšších provozních teplot

4 Obr. 7 Doporučené viskozitní třídy SAE motorových olejů podle vnějších teplot [ 10 ] Tyto oleje se pohybují s viskozitami mezi 12,5 16,3 [mm 2 /s] při 100 C. Při výběru základového oleje je třeba dobře zvažovat veškeré vlastnosti olejů, protože jakákoliv špatná volba může vést v budoucnu k úplně jinému chování než je vyžadováno v motoru jednotky. Zmíněných viskozit olejů bývá občas dosahováno míšením nízkomolekulárních řídkých základových olejů s hustými vysokomolekulárními oleji. Tedy pokud namícháme řídký olej je jako jeden z jeho největších nedostatků vysoký odpar, ke kterému dochází v průběhu provozu, olej se nám poté zahušťuje a má jiné vlastnosti než jsou vyžadovány. Hustý olej naopak zvyšuje riziko vzniku karbonu. Bohužel nic není dokonalé, a proto při použití jistých aditiv se setkáváme s opačnými účinky než požadujeme. Při použití řepkového oleje se setkáváme s problémy, které sebou přináší heterogenní struktura oleje. Olej může být v jednom závodě vylisován s naprosto odlišnými vlastnostmi než v závodě jiném. Mezi největší nevýhody řepkového či jiného rostlinného oleje patří jeho rychlá degradace, olej mění svojí strukturu a z tekutého oleje se stává olej hustý až gelový, a ten je pro mazací systém nepřijatelný Viskozita oleje Docílení správné viskozity ( = míry vnitřního tření ) není lehký úkol. Na mazivo působí v průběhu provozu jednotky velké množství faktorů, které jej ovlivňují. Mezi nejvíce problematické patří teplotní a tlakové výkyvy, které musí mazivo snášet. Pro takovéto provozní mazivo je tedy nezbytné aby těmto jevům čelilo s co nejmenší změnou svých viskózních vlastností. Charakteristika popisující závislost viskozity maziva na teplotě je vyjádřena tzv. viskózním indexem ( VI ). Čím vyšší je hodnota viskózního indexu, tím méně se mění viskozita oleje při změnách teplot. Běžné hodnoty viskózních vlastností uvádí klasifikace SEA ( Society of Automotive Engineers, USA ) [ 11 ]. Občas se můžeme setkat s problémem, že olej jako nový splňuje požadavky na viskozitní třídu, ovšem může dojít k situaci, že po několika hodinách běhu se vlastnosti oleje změní a mohou takřka změnit ráz chodu stroje. Takovýto problém je třeba předvídat a v případě jakéhokoliv náznaku těchto vlastností odstavit jednotu a vyměnit olej za jiný typ. Viskozita oleje je závislá na teplotě, rychlosti pohybu oleje na mazaných plochách a zatěžovací síle. Pokud není dobře odhadnuta teplota oleje, který má mazat soustrojí může dojít k jeho nadměrnému stékání a tudíž dochází k nedostatečnému mazání v potřebných částech motoru a časem může dojít k poruše motoru. Tentýž problém nastává i v případě, že je olej nadměrně zatěžován nebo např. při styku pístu a válce dochází k vzájemnému pohybu, zde je třeba vzít v úvahu právě rychlost při které se má olej doplňovat na své místo a proto je důležitá jeho pohyblivost. Pokud by byl tedy příliš viskózní docházelo by k nedostatečnému dopravování a následnému možnému zadření motoru jednotky

5 3.2. Výkonnostní kategorie Tato klasifikace charakterizuje vlastnosti oleje při okamžitém i dlouhodobém použití. Vlastnosti jsou vztaženy na pracovní prostředí a hlavně provozní zatížení oleje. Jako prioritní vlastnosti hodnocené touto kategorií jsou: koroze a oxidace stěn válců, ochrana proti usazování nečistot za vysokých teplot, otěrová ochrana, pěnění oleje, oxidační stabilita, atd. Všem těmto problémům musí čelit mazivo, které použijeme v jednotce, pokud bychom použili mazivo, které by nesplňovalo jen zlomek z uvedených kazových vlastností tak by mohlo opět dojít k znehodnocení maziva a hlavně k porušení motorové jednotky. Pro řazení výkonnostních kategorií do norem bylo zavedeno značné množství norem, ale dnes se nejvíce setkáme s normami API ( American Petroleum Institute, USA ) a ACEA ( Association des Constructeurs Européens d'automobile, EU ). Takže olej, který užijeme v kogenerační jednotce by měl být jednou ze jmenovaných norem označen Stabilita oleje Jak již bylo řečeno, nejvíce nám u oleje jde hlavně o jeho stabilitu při běhu motoru. Olej musí být stabilní po celou dobu své životnosti, pokud by tomu tak nebylo, byla by nutná výměna maziva, tím pádem by bylo nutno jednotku odstavit, přičemž by takovouto odstávkou vznikaly např. ekonomické ztráty. Na Obr. 8 je znázorněn graf, který popisuje test různých typů olejů. Pro nás je nejdůležitější srovnání minerálního a řepkového oleje. Jak je vidět, řepkový olej nemá takové vlastnosti jako minerální olej, během několika málo desítek hodin ztrácí své vlastnosti. Po více jak 100 hodinách se řepkový olej začne značně transformovat, dochází k velkým změnám viskozity, mazivo se zahušťuje a ztrácí žádané vlastnosti. Při takovémto mazání stroje by došlo k nedostatečnému dopravování maziva z důvodu jeho zgelovatění. Obr. 8 Srovnávací test olejů [ 12 ], [ 14 ] - 5 -

6 Z grafu je taktéž patrné, že nárůst viskozity řepkového oleje je velice prudký. U minerálního oleje není tento nárůst tak ohromný. 4. Užití ekologického maziva Prakticky veškerá strojní zařízení a obzvláště motory vyžadují kvalitní mazání, pokud by zařízení nebylo dostatečně mazáno docházelo by k jeho degradaci, snižování výkonu a např. u motorů k zadření a zničení hlavních částí soustrojí. Minerální oleje, jimiž se dnes z největší části provádí mazání jsou k prostředí ve kterém jsou aplikovány velice agresivní a zanechávají po sobě prakticky ekologické problémy. Odstranění problémů spojených s jejich aplikací bývá dosti složité, někdy takřka nemožné. Pokud nám někde v přírodě dojde k havárii minerálního oleje je to ekologická katastrofa, se kterou se příroda velice těžko vyrovná. Takovýto únik se poté může dostat do spodních vod a následně proniká do celého ekosystému. Ekologické oleje jsou v těchto ohledech odlišné. Problémy spojené s jejich rozkladem v přírodě a začlenění do celého ekosystému jsou prakticky bezproblémové Co musí splňovat mazivo aby bylo ekologické Jak uvádí zdroje [ 15 ], [ 16 ] mazivo jako takové musí splňovat veškeré vlastnosti jako minerální mazivo, např. ochrana proti opotřebení, čistota či udržitelnost stroje v čistotě. Dále jsou na tyto maziva kladeny nároky na ekologičnost a reakce s přírodním prostředím. Tyto informace o mazivu získáváme tzv. testy toxicity a testy ekologické toxicity. Testy v podstatě zjišťují negativní účinky na savce, rostliny, vodní živočichy a mikroorganismy. Jako další testy, přes které musí mazivo projít jsou biologické testy rozložitelnosti, které říkají o mazivu zda je při úniku samo-rozložitelné. Proces rozkládání těchto maziv probíhá za přítomnosti mikroorganismů, které rozkládají mazivo tak, že neškodí ekosystému. V případě, že se tyto organismy setkají s toxickým materiálem ( minerální olej ) dochází k jejich uhynu a tím se snižuje možnost, že mazivo bude rozloženo dříve než poškodí ekosystém. Z tohoto důvodu je tedy nutné, aby mazivo, které unikne bylo rychle odbouratelné a bylo mikroorganismy rozloženo na CO 2 a H 2 O jak je znázorněno na Obr. 9. Obr. 9 Rozklad ekologického maziva Pokud tedy mluvíme o odbouratelném ekologickém mazivu nesmíme však zapomenout, že pouze samotný pojem biologicky odbouratelné neznamená, že nám mazivo neponičí ekosystém. Pokud se tedy jedná o primární odbourávání tak mazivo je po tomto stádiu rozkladu rozloženo na prvky, které jsou stále ekologickou hrozbou. Jestliže pak chceme mluvit o plně odbouratelném mazivu pak je třeba uvést pojem plně odbouratelné mazivo ( z anglického ulitimate biodegradability ). Po takovémto odbourávání se mazivo rozloží na prvky jež ukazuje Obr. 9. Dnešní pojetí ekologického maziva je jasné, mazivo musí být rychle a úplně biologicky odbouráno, bez jakéhokoliv rozvinutí mezifází rozkladu, jež by mohli způsobit možnou větší zátěž než samotné mazivo. Testy, které dnes zjišťují úplnou odbouratelnost maziva jsou celosvětově standardizovány a nesou označení OECD ( Organisation for Economic Co-operation and Development ). Podle těchto testů jsou odbouratelnosti jednotlivých maziv z [ 15 ] znázorněny v Tab

7 Biologická odbouratelnost Minerální olej Polyalfaolefiny Syntetické estery Přirozené estery Primární 20-30% 25-35% 85-95% > 95% Úplná 20-35% 30-70% 85-95% > 95% Tab. 1 Biologická odbouratelnost v % v závislosti na základním oleji [ 15 ] Obr. 10 Životní cyklus rostlinného oleje [ 17 ] 4.2. Proč užít ekologické mazivo Ekologická maziva se užívají z důvodů minimalizací škodlivých účinků na životní prostředí, minimalizaci nákladů na likvidaci a ekologičnost jejich zpracování po dosloužení maziva. Pokud by takovéto mazivo uniklo ( došlo k havárii ) tak je životní prostředí v bezpečí před škodlivými účinky maziva, mazivo je plně odbouráno a neponičí životní prostředí. Na Obr. 10 je zobrazen životní cyklus rostlinného oleje. V obrázku je postupně popsáno čím prochází olej od výroby až po vstřebání v přírodě. 5. Maximální využití rostlinného oleje V roce 1997 si společnost Fuchs oil nechala patentovat systém, který má za úkol řešit problém s použitým rostlinným olejem. Systém byl patentován pod názvem Plantotronic a jeho základním principem je recyklace přírodního ( rostlinného ) oleje odváděného z jednotky motoru do paliva. Nepřetržitý provoz motoru, to je jedna z velkých výhod tohoto systému. Systém je navržen právě pro rostlinné oleje, jež mají problém se stabilitou, a proto nemohou být k mazání užívány dlouhodobě jak běžné minerální oleje. V systému to pracuje tak, že do jednotky motoru se přivádí k mazání čerstvý olej, jenž je stabilní a nehrozí u něj žádné problémy se změnou viskozity. Dále z motoru je odváděn starý použitý olej, který je již opotřebován. Tento použitý olej sebou z motoru odnáší nečistoty vzniklé při běhu motoru. Použitý olej je tedy vyčerpáván pryč a nahrazován novým olejem. Vyčerpaný použitý olej je dále veden přes filtry, které jej zbaví nečistot, které sebou nese z motoru. Přefiltrovaný olej je pak přimícháván v daném poměru - 7 -

8 s palivem, které je přiváděno ke spalování do motoru. patrné lidstvo se bude muset dát cestou, která mu přinese šetrnější způsob zacházení s naší plantou. Obr. 13 ukazuje možný stav budoucího olejového průmyslu. Ač dnes spousta lidí si řekne, že tento stav nemůže nikdy nastat, tak se mýlí, je třeba si uvědomit, že zásoby ropy nejsou nekonečné a bohužel jedou je lidstvo vyčerpá a bude za ně potřebovat náhradu. Náhrada se tedy skrývá v Bio produktech, které jsou obnovitelné. Obr. 11 Systém Plantotronic Na Obr. 11 je blokově znázorněno schéma systému Plantotronic. Z tohoto obrázku je patrné jak systém funguje. Použitý olej je tedy místo nákladné likvidace relativně snadno odstraněn. Obr. 12 Nynější stav olejového průmyslu Obr. 12 ukazuje jaký je dnešní stav používání olejů. Z grafu je patrné, že stále nejvíce používaný olej je olej minerální. Tento stav je dán tím, že právě Bio oleje nejsou tak stabilní jak minerální, a právě proto nejsou tak hojně využívány. Bio oleje bohužel neudělali zatím velké boom, ale do budoucna se dá předpokládat, že v nich bude veliký potenciál, už jen hlavně kvůli ekologii, se kterou se člověk poslední dobou začíná velice prát a ač to není zatím Obr. 13 Budoucnost olejového průmyslu 6. Závěr Rozdíly mezi použitými oleji v běžném motoru a motoru kogenerační jednotky jsou nepatrné, v obou případech je potřeba mazat velmi specifické prvky motoru. Jediným rozdílem může být to, že kogenerační jednotka je zařízení stacionární, a není tedy podstatná její váha. Užití ekologických olejů v kogeneračních jednotkách je velice rozsáhlá oblast, která se prolíná s běžným olejářským průmyslem. Veškeré parametry které splňuje běžný minerální olej musí splňovat i tento olej, a navíc musí být ještě biologicky odbouratelný. Bohužel je vidět na předchozích obrázcích, že oblast ekologického maziva není zas tak dobře prozkoumána a proto je třeba v této oblasti do budoucna provést velké množství nákladných výzkumů

9 Reference [ 1 ] P. DOBEŠ, M. KAČMÁR: PLANTOTRONIC Systém mazání motoru řepkovým olejem, Fuchs Oil Corporation, 2003 [ 2 ] J. HRUŠKA: Oleje pro plynové motory kogeneračních jednotek, TOP OIL SERVICES K.S., 2006 [ 3 ] TEDOM, [ 4 ] ABB, [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Fuchs Oil Development of Lubricants from Harvestable Resources: Renewable Resources: Becoming a Reality, London, December 2001 [ 15 ] [ 16 ] STROJNÍ kaleidoskop: Maziva na bázi esteru splňují vysoké technologické a ekologické požadavky, 2005, ISSN [ 17 ] A. WILLING: Lubricants based on renewable resources - an environmentally compatible alternative to mineral oil products,chemosphere 43, 2001 [ 18 ]