Konkurenceschopnost a kvalita - inovace v zemědělském sektoru 13/018/1310b/563/000309 Ekonomika provozu traktorů - efektivnější provoz Termín: 11.12.2014 Místo konání: Agro Mohelno, s.r.o., Vrchlického 1063, 67401 Třebíč
Problematika využití biopaliv ve spalovacích motorech. Prof. Ing. František Bauer, CSc. Mendelova univerzita v Brně Podle Akčního plánu Evropské komise by měla být ve státech Evropské unie paliva vyráběná z ropy postupně nahrazována částečně biopalivy, zemním plynem a vodíkem. Podle Směrnice EU 2009/28/ES se uvádí, že ke konci roku 2020 má energetický podíl biopaliv pro dopravu v každém z členských států Evropské unie činit minimálně 10 % z energie dodané pro dopravu. Za biopaliva se považují kapalné nebo plynné pohonné hmoty vyráběné z biomasy: bioetanol, MEŘO, bioplyn, biometanol, biodimetyléter, bio-etbe, bio-mtbe, biovodík, čisté rostlinné oleje a syntetická paliva, jejichž složky byly vyrobeny z biomasy. Provoz motoru na kapalná biopaliva. Pro vznětové motory u nás přichází v blízké budoucnosti v úvahu použití především MEŘO, směsné nafty (směs MEŘO a MN) a řepkového oleje. V rámci plnění směrnice Evropského parlamentu se u nás do motorové nafta přidává metylester řepkového oleje jehož podíl se od roku 2009 postupně zvyšuje až na hodnotu 10 % obj. v roce 2020. Kromě povinné bioložky v motorové naftě lze ve vznětových motorech spalovat směsnou motorovou naftu označovanou SNM 30, která obsahuje 30 % MEŘO, nebo čistý 100 % metylester řepkového oleje. I když někteří výrobci traktorů použití paliv s vysokým podílem MEŘO nedoporučují, postupně se rozšiřuje sortiment traktorů, které mohou uvedená paliva spalovat. Další biopalivo použitelné u vznětových motorů je řepkový olej. Požadavky na kvalitu oleje pro spalovací motory je obsažena v normě ČSN 656516 Motorová paliva - Řepkový olej pro spalovací motory na rostlinné oleje - Technické požadavky a metody zkoušení. Jako první vstoupila na trh s plně garantovaným systémem spalování řepkového oleje v traktorovém motoru firma Fendt s motorem Deutz. Jedná se o dvoupalivový systém s automatickým přepínáním mezi provozem na motorovou naftu a řepkový olej. Rozmístění základních částí dvoupalivového systému na traktoru je zřejmé z obr. 1. Motor je vybaven palivovým systémem Common Rail s upraveným nízkotlakým okruhem. Zjednodušené blokové schéma úpravy palivové soustavy je uvedeno na obr. 2. Úprava spočívá ve vybavení traktoru dvěma palivovými nádržemi, na naftu a řepkový olej, výměníky pro ohřívání oleje, elektromagnetickými ventily, čerpadly, čističi paliva a vedením nafty a oleje.
Obr. 1 Schéma rozmístění jednotlivých částí dvoupalivového systému na traktoru Fendt 820 Greentec. 1 Výměník tepla pro ohřev řepkového oleje, 2 hrubý čistič řepkového oleje, 3 ventil přepínání paliva, 4 jemný čistič paliva, 5 hrubý čistič paliva, 6 palivová nádrž (nafta.) [100]. Obr. 2 Zjednodušené blokové schéma řešení dvoupalivového systému
Upravený palivový systém musí zajistit pro obě paliva stejnou kvalitu směsi se vzduchem ve spalovacím prostoru motoru. Protože je viskozita oleje výrazně vyšší než viskozita motorové nafty, je nutné olej předehřívat. Motor traktoru se startuje a zahřívá na naftu. Současně je ohříván olej ve výměníku chladící kapalinou z motoru. Dosáhne li teplota řepkového oleje 62 C a točivý moment motoru minimálně 250 Nm po dobu 10 s, dojde k automatickému přepnutí paliva na řepkový olej. Jakmile není splněn jeden z uvedených požadavků po dobu 40 s, systém se automaticky přepne zpět do režimu provozu na motorovou naftu. Tím je zajištěno, že řepkový olej je vstřikován do motoru pouze v takovém režimu, který je vhodný pro dokonalé spalování a kdy nehrozí nebezpečí poškození motoru. Řidič může kontrolovat na terminálu, jaké palivo motor aktuálně spaluje. Aby nedošlo k zalepení funkčních částí palivového systému, je nutné před zastavením motoru přepnout palivo na naftu, a palivová soustava se musí vypláchnout od zbytků řepkového oleje. Pak je teprve možné traktor odstavit z provozu. K zajištění bezproblémové práce a dlouhé životnosti motoru je nutné, aby kvalita používaného řepkového oleje splňovala požadavky dané normou DIN V51605. Při provozu na řepkový olej se zpravidla zkracuje interval výměny motorového oleje. Řada firem v Evropě nabízí možnost přestavby palivového systému traktoru na řepkový olej. Přestavba spočívá v úpravě nízkotlaké větve palivové soustavy doplněním o nádrž na řepkový olej, předehřívání oleje, filtry a elektromagnetické ventily pro přepínání mezi oběma palivy a další. Doplňková úprava zpravidla není opatřena elektronickým řízením s napojením na CPU motoru. To znamená, že seřízení motoru není optimalizováno pro řepkový olej a motor pracuje s hodnotami nastavenými pro provoz na naftu.
120 660 110 605 100 550 Výkon motoru Pe [kw] 90 80 70 60 50 40 30 495 440 385 330 275 220 165 Točivý moment Mt [N.m] 20 110 10 55 0 0 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 Otáčky motoru n [min -1 ] Výkon motoru (motorová nafta, s navýšením) Točivý moment (motorová nafta, s navýšením) Výkon motoru (řepkový olej, s navýšením) Točivý moment (řepkový olej, s navýšením) Měrná spotřeba m pe [g.kw -1.h -1 ] 650 600 550 500 450 400 350 300 48 42 36 30 24 18 12 6 Hodinová spotřeba M p [kg.h -1 ] 250 0 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 Otáčky motoru n [min -1 ] Měrná spotřeba (motorová nafta, s navýšením) Hodinová spotřeba (motorová nafta, s navýšením) Měrná spotřeba (řepkový olej, s navýšením) Hodinová spotřeba (řepkový olej, s navýšením) Obr.3 Jmenovitá otáčková charakteristika motoru traktoru naměřená přes PTO Porovnání parametrů takto upraveného traktoru jsme provedli na Mendelově univerzitě v roce 2006. Dosažené výsledky jsou zřejmé z grafu jmenovité charakteristiky na obr. 3. Z grafu je vidět, že hodinová spotřeba řepkového oleje (kg.h -1 ) je mírně vyšší než spotřeba nafty. Je to dáno vyšší měrnou hmotností oleje. Měrná hmotnost řepkového oleje při 15 C je 900 930 kg.m -3 a motorové nafty 820-860 kg.m -3 (dle EN 590). Naopak výhřevnost řepkového oleje je nižší 36 MJ.kg -1, nafta má dolní výhřevnost 42,4 MJ.kg -1. Vzhledem k nižší výhřevnosti řepkového oleje je dosahovaný točivý moment, a tedy i výkon
motoru nižší. Uvedená skutečnost se projeví v nárůstu měrné spotřeby paliva v celém rozsahu otáček motoru. Pro analýzu vlivu používání alternativních paliv na výstupní parametry spalovacího motoru bylo provedeno měření v laboratorních podmínkách Ústavu techniky a automobilové dopravy na Mendelově univerzitě v Brně. Traktor Zetor Forterra 9641 (rok výroby 2008) byl vybaven řadovým vstřikovacím čerpadlem. Nízkotlaká část palivové soustavy spalovacího motoru traktoru byla doplněna o dopravní čerpadlo, filtry, výměník tepla pro předehřev paliva a dvojici třícestných ventilů. Charakteristika spalovacích motoru traktoru je uvedena v tab. 1. Tab.1 Charakteristika spalovacího motoru traktoru uváděná výrobcem Parametr Rozměr Hodnota Maximální výkon (kw) 66 Maximální točivý moment (Nm) 391 Počet válců (-) 4 Zdvihový objem (cm 3 ) 4156 Počet ventilů na válec (-) 2 Palivová soustava (-) Řadové vstřikovací čerpadlo, doplnění pal.soustavy o nádrž, filtry, čerpadlo, předehřev paliva a dvojici třícestných ventilů pro provoz motoru s řepkovým olejem. Přeplňování (-) Turbodmychadlo bez regulace plnícího tlaku. Zatěžování spalovacího motoru probíhalo přes zadní vývodový hřídel pomocí vířivého dynamometru. Měřenými parametry byly otáčky motoru, spotřeba paliva (dvojice Coriolisových průtokoměrů), teplota paliva, vzduchu v sací a plnicí větvi, tlak plnícího vzduchu před a za turbodmychadlem a teplota výfukových plynů. Na konci výfukového potrubí byla umístěna sonda pro odběr vzorků k měření emisí CO, CO 2 a HC. Pro vyjádření hmotnosti produkovaných emisí byla měřena hmotnost nasávaného vzduchu průtokoměrem v sání motoru. Měření se uskutečnilo při plné dodávce paliva se statickým zatěžováním. Spalovací motor traktoru pracoval postupně s pěticí různých paliv: motorová nafta, směs I (30 MEŘO a 70 % motorová nafta), směs II (50 % motorová nafta a 50 % řepkový olej), MEŘO a řepkový olej. Dolní výhřevnost použitých paliv je uvedena v tab. 2. Schéma zapojení průtokoměrů do palivového systému motoru je uvedeno na obr. 4.
Tab.2 Přehled základních parametrů použitých paliv Palivo Výhřevnost Hustota při 15 o C Norma určující kvalitu paliva (MJ.kg -1 ) (kg.m -3 ) Motorová nafta 42,69 837 EN 590 Řepkový olej 36,72 915 DIN V 51605 Metylester řepkového oleje (MEŘO) 37,21 883 EN 14214 Směs I. (30 % MEŘO a 70 % ČSN 41,21 850,8 motorová nafta) 65 6508 Směs II. (50 % motorová nafta a 50 % řepkový olej) 39,71 876 - Obr. 4 Schéma zapojení průtokoměrů do palivové soustavy zkoušeného traktoru Z naměřených hodnot byl dopočítán výkon motoru, měrná spotřeba paliva, měrná produkce emisí CO a HC a cyklová dávka paliva. Uvedené parametry byly vyjádřeny graficky v závislosti na otáčkách spalovacího motoru pro jednotlivá zkoušená paliva. Z výsledků je zřejmé, že nejvyšší výkon motoru byl v celém rozsahu otáčkové charakteristiky dosažen při spalování motorové nafty. Pro přehlednost jsou hodnoty snížení max. výkonů na jednotlivá zkoušená paliva uvedeny v procentech v tab. 3.
Tab.3 Maximální výkon motoru a jeho snížení při použití různých alternativních paliv Palivo Snížení maximálního výkonu při porovnání s motorovou naftou (%) Řepkový olej 10,21 Metylester řepkového oleje (MEŘO) 6,42 Směs I (30 % MEŘO a 70 % motorová nafta) 1 Směs II (50 % motorová nafta a 50 % řepkový olej) 6,21 U traktoru byl naměřen max. výkon motoru s motorovou naftou 63,8 kw a nejnižší s řepkovým olejem 57,2 kw. To znamená 10,2 % snížení výkonu motoru. V případě směsi I (30 % MEŘO a 70 % Motorová nafta) dosáhl max. výkon 63,1 kw, což znamenalo 1% snížení výkonu. V případě provozu na řepkový olej a směs II byl využit předehřev paliva na teplotu 55 o C až 74 o C. S používáním biopaliv je spojeno sledování produkce vybraných složek emisí HC, CO a PM, které se podle dostupných výsledků snižují kromě koncentrace NO x. MEŘO jsou obecně pokládány za přátelské k životnímu prostředí. Na první pohled je CO 2ekv neutrální, odbouratelné, šetří fosilní paliva a neprodukuje síru v emisích při spalování, resp. při přímém spalování vytváří takové množství CO 2, které se využívá procesem fotosyntézy při pěstování řepky olejné. MEŘO mají nesporné výhody a diskutabilní účinky jsou ospravedlnitelné v jejich prospěch při srovnání s fosilní motorovou naftou. Jednoznačné výhody, které mohou být popsány kvantitativně, jsou ochrana neobnovitelných fosilních zdrojů a omezení tzv. skleníkového efektu. Pro průměrné podmínky České republiky při výnosu řepky olejné 3 t.ha -1 bez doplňkového využívání řepkové slámy jako nosiče energie, je poměr vyrobené a vynaložené energie pro MEŘO, glycerin a řepkové šroty 2,55 : 1. U celkové energetické bilance MEŘO, glycerinu a řepkových šrotů je poměr 2,3 : 1, tzn., že současné výrobní postupy
spotřebovávají 2,3x více motorové nafty než výrobní postupy MEŘO. (Jevič,2007) Biopaliva a Evropská komise. Evropská komise (16.10.2012 Euractiv.cz)se snaží změnit přístup EU k biopalivům, protože se v poslední době ukazují některé jejich negativní dopady. Přínos biopaliv pro životní prostředí se tak nyní například bude vypočítávat novým způsobem.výrobci biopaliv se zlobí, zemědělci také nejsou nadšení. Proč vlastně Komise mění svůj pohled na zelená paliva? Evropská komise zveřejní návrh dokumentu, který by měl limitovat využívání biopaliv v Evropské unii. Již delší dobu se množí důkazy o tom, že jejich vliv na životní prostředí pravděpodobně není tak pozitivní, jak se očekávalo (viz např.euractiv 11.4.2012 a EurActiv 8.8.2012). Podle odborníků se totiž dosud při výpočtech týkajících se biopaliv nevěnovala
dostatečná pozornost tzv. nepřímým změnám využití krajiny (Indirect Land Use Changes ILUC, viz EurActiv 4.5.2012). Tyto nepřímé změny způsobuje nahrazování lesních a travních porostů poli, na kterých se pěstují plodiny potřebné pro produkci zelených paliv. Proměna krajiny může ohrožovat potravinovou bezpečnost, ovlivňovat ceny polnohospodářských komodit a paradoxně také zvyšovat množství vypouštěných emisí. Podle odborníků tak mají některá biopaliva na životní prostředí spíše negativní dopad. Podle původních plánů se totiž měla biopaliva vyráběná ze zemědělských plodin podílet 10 % na splnění evropského cíle v oblasti obnovitelných zdrojů energie pro dopravu. Podle nového dokumentu by to nakonec mělo být pouze 5 %. Nejvíce emocí však vzbudil návrh na nový způsob vypočítávání přínosu biopaliv pro životní prostředí. V budoucnu by tak měla Komise brát v úvahu například také emise, které vzniknou při přechodu od pěstování potravin k energetickým plodinám. Předpokládá se totiž, že poptávka po potravinách zůstává přibližně stejná, a proto se jejich produkce musí přesouvat jinam. Legislativa také obsahuje požadavek, aby všechny energetické plodiny zajišťovaly minimálně 60% snížení emisí skleníkových plynů. Na druhé straně Komise slibuje, že zaměří podporu na tzv. biopaliv druhé generace, která se vyrábí z odpadu, vodních řas nebo zbytků z jiných oblastí produkce. Výrobcům se to však příliš nezamlouvá. Řada z nových výrobních procesů prý ještě nebyla dostatečně otestována. Výrobci biopaliv se však nové legislativě brání a nadšením nejásají ani zemědělci. Silná a stabilní poptávka po energetických plodinách je totiž chrání proti výkyvům na trzích s potravinami. Vzrostla prý také jejich produktivita.vedlejší produkty při výrobě bioetanolu lze totiž například použít jako krmivo pro zvířata. Literatura: Bauer,F. a kol.: Traktory a jejich využití. Profi Press s.r.o. Praha, 2013 Jevič,P.-Šedivá, Z.:Expertní zpráva A/10/07