Biopaliva = paliva vyrobená z biomasy: BIOPALIVA zemědělské produkty (potravinářské, technické), odpady ze zemědělské výroby a dřevařského průmyslu (sláma, hnůj, štěpka, dřevní odpad), biodegradabilní podíl průmyslových a komunálních odpadů, a) Biopaliva pro energetické účely (výroba tepla, elektrické energie): dřevo, štěpka, sláma, různé druhy briket a pelet, lihovarské výpalky, pokrutina,, ale i obilí, b) Ušlechtilá biopaliva určená pro pohon spalovacích motorů: bioetanol (biometanol, biobutanol), resp. jeho produkty; metylestery mastných kyselin 1) Biopaliva 1. generace: zdrojem biomasy jsou produkty určené primárně k výrobě potravin (cukrová třtina, obilí, řepa bioetanol; rostlinné oleje bionafta) 2) Biopaliva 2. generace: zdrojem biomasy jsou nepotravinářské suroviny (lignocelulózové odpady bioetanol; odpady BTL syntetická paliva) 3) Biopaliva 3. generace: využití řas (případně dalších mikroorganismů) vodík, lipidy, cukry vodík, bionafta, bioetanol
Proč biopaliva? Snížení závislosti na dovozu ropy (fosilních paliv) Obnovitelný zdroj energie Snížení emisí CO2 (spalování CO2 růst biomasy pro výrobu biopaliv ) Podpora zemědělské výroby (obecně + méně rozvinuté země) Ale, Spalování potravinářských komodit + zábor půdy pro technické plodiny méně potravin zvýšení cen biopaliva 2. generace Poškození či zánik jedinečných ekosystémů (deštné pralesy) Naředěná energie (1. a zvláště 2. generace) velké energetické náklady na dopravu a zpracování výsledný energetický efekt? Celý proces výroby je spojen s emisemi CO2 (obdělávání, svoz, zpracování, ) je cyklus z hlediska úspory emisí CO2 skutečně efektivní? Vyšší cena (Evropa, )
BIOETANOL Alternativní palivo především pro zážehové motory - spolu s metylestery mastných kyselin se jedná dominantní biopalivo (1. generace) Ve 30. letech 20. st. se v ČSR bioetanol přidával povinně do autobenzínů (20 %); vedle toho existovalo palivo Dynakol (50 % etanol + 30 % benzín + 20 % benzen) Ve světě se používal/používá v různých poměrech s benzínem (E5 E85 E100, Brazílie: E25 - E100) nebo ve formě ETBE Plošný přídavek do autobenzínů V Evropě (C2H5OH nebo ETBE): po r. 2005 Největšími světovými výrobci je Brazílie a USA Surovinou pro výrobu bioetanolu jsou plodiny obsahující sacharidy: cukrová třtina, cukrová řepa (disacharidy), obilí, kukuřice, brambory (polysacharidy), Základním procesem přeměny sacharidů je alkoholové kvašení (fermentace) probíhající za nepřístupu vzduchu v přítomnosti vhodných mikroorganismů
VYBRANÉ VLASTNOSTI ETANOLU A ETBE Parametr Etanol ETBE benzín Hustota (kg m -3 ) 794 736 720-775 Bod varu ( C) 78 72 35-200 Tlak par podle Reida (kpa) 17 28 40-80 Výhřevnost (MJ kg -3 ) 27 36 42 Výhřevnost (MJ dm -3 ) 21 27 32 Oktanové číslo (RON / MON) (109 / 93) (118 / 105) 96 / 86 Výparné teplo (KJ kg -3 ) 840 308 cca 350 Rozpustnost ve vodě neomezená (hygroskopický) nevýznamná nevýznamná U nízkoprocentních směsí etanolu s benzínem (do cca E10) existuje riziko separace fází (voda + líh) + benzín; Vysokoprocentní směsi jsou k vodě méně citlivé
ETANOL A ETBE JAKO MOTOROVÁ PALIVA Etanol se přidává do standardního evropského automobilového benzínu (EN 228) v množství do 5 % obj. (E5 E10?) - splnění povinného podílu biopaliv ETBE se v Evropě přidává do benzínu (EN 228) místo etanolu nebo v kombinaci s ním (max. 15 % obj.) Etanol i ETBE se podobným způsobem používá i jinde ve světě Lihobenzínové směsi E10, resp. E15 (Evropa, Čína, Nový Zéland, státy USA, ) Lihobenzínová směs E25 (18-25 %) - Brazílie, resp. E20 - Thajsko Palivo E85: 70 (50) - 85 % etanolu - použití v upravených vozidlech (FFC, FFV) v různých státech světa (USA, Brazílie, Evropa, ) Palivo E100 ( čistý etanol - azeotropická směs obsahující 3,5 % obj. vody) - použití ve speciálních vozidlech FFC (E20 E100) v různých státech světa (USA, Brazílie, Evropské země, ) Palivo E(D)95 (95 % etanolu + 5 % aditiv) - palivo pro pohon speciálně upravených VZNĚTOVÝCH motorů (Švédsko, Brazílie, Norsko )
VOZIDLA PRO POHON NA VYSOKOPROCENTNÍ SMĚSI Nově vyrobená vozidla na benzín bez problémů snesou 10-15 % etanolu (vozidla pro Brazilský trh až cca 30 %) Vyšší obsah etanolu Flexi-Fuel Vehicles (FFV) Flexi-Fuel Cars (FFC) upravená vozidla určená pro směsi obsahující 0-85 % etanolu (20-100 %) kovové a elastomerní díly palivové soustavy korozivzdorné a odolné dimenzování palivového systému na vyšší průtok paliva a jiný A/F poměr upravená elektronická jednotka (časování vstřiků, předstihu, ) zařízení pro studené starty: vyhřívání, nádržka s čistým benzínem (E100 FFV) senzor na obsah etanolu a/nebo speciální lambda sonda (úprava kompresního poměru, ) Většina automobilek nabízí sériově vyráběná FFV vozidla (konkrétní trh? ) : Citroen, Ford, VW, Škoda, Volvo, Renault, Toyota, Honda, Fiat, Peugeot, VW
VOZIDLA PRO POHON NA VYSOKOPROCENTNÍ SMĚSI E85 má o 30 % nižší výhřevnost než benzín (MJ dm -3 ) vyšší spotřeba při provozu na E85 Některá FFV mohou lépe využívat energii při spalování E85, nicméně automobilky u FFV uvádějí zvýšení spotřeby o 30-40 % (v porovnání s BA) Je to výhodné: cena paliv + spotřeba? V ČR roste spotřeba E85 (> 220 čerpacích stanic - 2012); malý nárůst flotily FFV VOZIDLA PRO POHON NA E(D)95 Flotily autobusů poháněných ED95 (Švédsko, Brazílie, Španělsko, Itálie, ) Přestavba vznětových motorů (palivový systém, ) Etanol má nízké cetanové číslo (CČ) cetane improvers ED95 = 95 % C2H5OH + 5 % balíček přísad obsahující především zvyšovače CČ, mazivostní přísady a protikorozní přísady
ROSTLINNÉ OLEJE Alternativní palivo pro vznětové motory - (1. generace biopaliv) Rostlinné oleje: cca 98 % estery glycerolu a mastných kyselin: C18, C16, (převládají nenasycené m.k.!!!) Zdroj: semena olejnatých rostlin palmový olej (Malajsie, Indie) sójový (USA, Brazílie, Čína) řepkový (Evropa, Čína, Kanada) slunečnicový, + živočišné tuky a upotřebené fritovací oleje (odpady) Výroba: lisování + extrakce (hexan) rafinace Příklad výtěžku: 3 t semene řepky (1 ha) 1,1 t oleje + 1,4 t pokrutin
Ve srovnání s motorovou naftou: vysoká viskozita (36 x 2,8 mm 2 s -1 ) horší čerpatelnost (především za nízkých teplot + horší rozprášení ve spalovacím prostoru karbonové úsady vysoký bod varu (> 650 x 200-360 C) + rozklad nad 300 C karbonové úsady (vstřikovače, ) + průnik do motorového oleje ( degradace) nízká oxidační stabilita vznik úsad v palivovém systému, degradace motorového oleje nižší CČ, nižší výhřevnost (o cca 10 %), obsahuje Ca, P, Mg katalyzátor! Použití ve vznětových motorech: výrobci vozidel palivo většinou oficiálně nepovolují (čistý nebo směsi s MN) upravené motory: ohřev paliva (70-80 C) + dvoupalivový systém start a zahřívání motoru na MN provoz na olej před vypnutím provoz na MN větší zatížení motoru méně negativních projevů vhodnější pro větší motory úspěšný provoz flotil nákladních automobilů použití upotřebených fritovacích olejů (čištění?) - odpad pro širší využití není toto palivo příliš perspektivní
BIONAFTA (FAME, MEMK, RME, MEŘO, B100) Alternativní palivo pro vznětové motory - (1. generace biopaliv) Tradiční bionafta = Fatty Acid Methyl Esters (FAME), příp. FAEE (..Ethyl.) Vyrábí se transesterifikací rostlinných olejů metanolem Použít lze i živočišné tuky nebo upotřebené fritovací oleje (obtížnější výroba) Kat. FAME Reakční podmínky: t: 50-80 C; přebytek CH3OH: 4-20 krát; katalyzátor: KOH,... Surové FAME čištění (odstranění metanolu a mýdel) bionafta Glycerol (bez úpravy) palivo nebo čištění farmaceutický průmysl
VLASTNOSTI BIONAFTY Mnohem lepší vlastnosti než rostlinné oleje (bod varu, hustota, viskozita, cetanové číslo vlastnosti minerální motorové nafty) Nižší výhřevnost (o cca 10 %) mírně vyšší spotřeba Lepší mazivost a biodegrabilita ve srovnání s naftou Horší oxidační stabilita (dvojné vazby: 1, 2 i 3) antioxidanty, ale tvorba nerozpustných oxidačních produktů (+ koroze) při dlouhodobém skladování palivo pro okamžitou spotřebu nesmí do produktovodů větší riziko tvorby termooxidačních produktů v palivovém systému motoru Větší sklon k průniku paliva do motorového oleje degradace oleje Větší sensitivita k vodě v palivovém systému hydrolýza, mikrobiální napadení (ucpávání systému, koroze) Nižší emise CO2 úspora CO2 závisí na celém výrobním cyklu Spalování v motoru menší kouřivost (nižší emise částic) Nečistoty z výroby: glyceridy zhoršují nízkoteplotní vlastnosti; glycerol ucpávání filtrů a trysek; kovy úsady ve spal. prostoru; P katalytický jed
SPALOVÁNÍ BIONAFTY V MOTORECH 1) Standardní MN (EN 590): komponenta MN max. obsah 7 % obj. (v rámci evr. programu zavádění biopaliv je přídavek bionafty povinný (ČR - 6,3 % obj.) 2) Čistá bionafta: FAME (B100) dle EN 14 214 (používání musí být schváleno výrobcem vozidla) 3) Směsi s MN (B10, B20, B30): v ČR B30 - směsná motorová nafta (SMN 30) dle EN 14 214 (používání musí být schváleno výrobcem vozidla) Minimalizace rizik spojených s používáním bionafty a jejích směsí s MN: používání pouze kvalitní bionafty častý provoz vozidla rychlé spálení paliva a jeho obměna za čerstvé provoz s vyšším zatížením (časté studené starty vyšší riziko průniku paliva do motorového oleje ( degradace) případné zkrácení intervalu výměny motorového oleje dlouhodobé odstavení vozidla minerální motorová nafta (kde ji vzít?)
HYDROGENACE ROSTLINÝCH OLEJŮ Hydrogenací rostlinných olejů lze získat vysoce kvalitní palivo pro vznětové motory Hydrotreated Vegetable Oil (HVO), Renewable Diesel, Výroba 1) Rostlinné oleje ( ) hydrogenace izomerace produkt HVO 2) Společná hydrogenace plynového oleje a rostlinného oleje v ropné rafinérii (horší nízkoteplotní vlastnosti) CH 2 -O-CO-C 17 H 33 hydrogenace hydrogenace CH 2 -O-CO-C 3 C18H38 17 H + 6 H2O + C3H8 35 CH-O-CO-C 17 H 33 + 3 H 2 H 2 + katalyzátor CH-O-CO-C 17 H 35 CH 2 -O-CO-C 17 H 33 triolein triolein (složka rostlinných olejů) dekarboxylace + 12 H 2 CH 2 -O-CO-C 17 H 35 tristearin 3 C17H36 + 3 CO2 + C3H8 3 H 2
HYDROGENACE ROSTLINÝCH OLEJŮ Hydrogenací rostlinných olejů lze získat vysoce kvalitní palivo pro vznětové motory Hydrotreated Vegetable Oil (HVO), Renewable Diesel, Eliminace všech nedostatků klasické bionafty (FAME) Produkt obsahuje pouze nearomatické uhlovodíky vyšší CČ než MN (> 70) nižší emise škodlivin než klasická MN (především částic, CO, HC, NOx) Ve všech vznětových motorech lze spalovat jakoukoliv směs s naftou či bionaftou (více produktu HVO lepší vlastnosti paliva) Ve světě je v provozu několik komerčních jednotek (několik společností): produkt společnosti Neste Oil: NExBTL komerční použití jako složka do MN nebo v čisté podobě jako prémiové palivo Neste Green 100 diesel produkt společnosti UOP: Honeywell Green Diesel
HYDROGENACE ROSTLINÝCH OLEJŮ Technologie hydrogenačního zpracování rostlinných olejů umožnila i výrobu biopaliv pro leteckou dopravu (velice přísné požadavky na kvalitu) pilotní projekty (UOP i Neste Oil) testování těchto paliv v komerční letecké dopravě i na vojenských strojích Většinou se testuje směs obsahující 50 % standardního leteckého petroleje a 50 % zeleného paliva pravidelná linka Hamburg - Frankfurt 50 % Green Jet Fuel (UOP) 50 % NExBTL aviation fuel (Neste)