Biodizel kao pogonsko gorivo

prof. dr. sc.

Zoran Lulić

, dipl. ing. stroj.

Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu Katedra za motore i vozila Ivana Lučića 5 10000 Zagreb [email protected]

BIOGORIVA - PROIZVODNJA, DISTRIBUCIJA I POTICAJI

Project BIOSIRE: Biofuels and Electric Propulsion Creating Sustainable Transport in Tourism Resorts

15. 06. 2010., Ministarstvo gospodarstva, rada i poduzetništva, Ul. grada Vukovara 78, Zagreb

Sadržaj predavanja

  Rudolf Diesel i njegov motor Početci uporabe biogoriva   Karakteristike goriva Mješavine biodizela s dizelskim gorivom   Prednosti i nedostatci Utjecaj na emisiju štetnih tvari iz motora   Emisija CO Snaga i 2 potrošnja goriva pri pogonu biodizelom   Preinaka na motorima ...

Biodizel kao pogonsko gorivo

2

Rudolf Diesel i njegov motor

 rođen 18.03.1858. u Parizu  1880. diplomirao na TU M ünchen  1892. podnio zahtjev za patent  1893. počela proizvodnja prvog probnog motora  1897. proizveden prvi funkcionalan motor • TU München,

P

= 13.1 kW (17.8 KS) pri 154 min -1 , h = 26 %  preminuo 29. 09. 1913.

Biodizel kao pogonsko gorivo

3

Kako radi Dieselov motor

Biodizel kao pogonsko gorivo

4

Kako radi Dieselov motor

1 spremnik goriva 2 dobavna pumpa 3 pročišćavač goriva 4 visokotlačna redna pumpa za ubrizgavanje 5 regulator početka ubrizgavanja 6 regulator brzine vrtnje motora 7 brizgaljka 7a visokotlačni cjevovodi 8 povrat goriva u spremnik 9 žarnica za hladni start motora 10 akumulator 11 prekidač za uključivanje 12 upravljački uređaj žarnica za hladni start

Biodizel kao pogonsko gorivo

5

Kako radi Dieselov motor

1 – mjerač protoka zraka 2 – upravljačko računalo 3 – visokotlačna pumpa 4 – visokotlačni spremnik 5 – brizgaljke 6 – osjetnik brzine vrtnje KV 7 – osjetnik temperature rashladne tekućine 8 – filtar goriva 9 – potenciometar pedale snage

Biodizel kao pogonsko gorivo

6

      

Legenda o Dieselu i biogorivima

1898. u Augsburgu je osnovana nova (i skupa) tvornica Dieselovih motora, a prava proizvodnje Dieselova motora preuzeli su tvrtke MAN i Krupp Diesel je postao član uprave, zbog brojnih obveza oko patentnih prava i bolesti Diesel je praktički prestao radi na daljnjem razvoju motora.

Početak rada tvornice Dieselovih motora obilježio je velik boj narudžbi, ali nakon toga slijedila je katastrofa. Za razliku od motora izrađenih prema starim nacrtima, svi novi motori koji proizvedeni s preinakama na kojima je inzistirao sam Diesel su vrlo brzo zakazali.

Gorivo: petrolej  i tada je imao prilično visoku cijenu  slaba prodaja Za izlaz iz krize konzorcij proizvođača Dieselovih motora trebao je pozitivan iskorak odnosno dokaz uspješnosti njihova motora, a u tu svrhu odabran je nastup na Dieselov motor je bio zastupljen preko Pariškoj svjetskoj izložbi (današnji Expo). Na izložbi održanoj 1900. godine licenčnih partnera, a sam Rudolf Diesel na izložbi nije sudjelovao zbog bolesti.

Tijekom nastupa na Pariškoj izložbi predstavljena je mogućnost pogona Dieselova motora s gorivima različitih kvaliteta jer je cilj bio demonstrirati neovisnost o tadašnjim, prvenstveno uvoznim gorivima i upotrebljivost motora u područjima u kojima tadašnjih klasičnih goriva nema. Vrlo često spominjano ulje od kikirikija bilo je samo jedno od brojnih goriva i to bez nekog osobitog značaja. Stvarni uspjeh bio je predstavljanje pogona s jeftinijim proizvodima (destilatima) iz nafte pa čak i sirovom naftom što je omogućilo iznimno visoke uštede na cijeni goriva.

Treba napomenuti da je Rudolf Diesel sredinom devedesetih godina devetnaestog na stoljeća kupio nekoliko naftnih polja području današnje Ukrajine. Uvozom nafte želio je osigurati lakšu dobavljivost jeftinog goriva i bolju prodaju svog motora.

 Iako Rudolf Diesel nije sam pogonio svoje motore gorivima na osnovu biljnih ulja uvijek će ostati pitanje kakav bi bio razvoj motora i industrije da je umjesto naftnih polja kupio polja repice i suncokreta.

Biodizel kao pogonsko gorivo

7

Početci primjene goriva biljnog porijekla i nastanak biodizela

 U dvadesetim god.

prošlog stoljeća (

Lanz Buldog

).

bitno jeftinijih goriva na bazi nafte.

Napušteno zbog  Prva naftna kriza  vojni program u Austriji  U osamdesetim god.

prošlog stoljeća započeta istraživanja primjene goriva biljnog porijekla.

  Ispitivana su sirova ulja manje više svih biljaka, a kao najprikladnije se pokazalo repičino ulje. U okviru tih istraživanja počelo se s uporabom sirovog ulja, ali su se ubrzo pojavili problemi.

Biodizel kao pogonsko gorivo

8

Početci primjene goriva biljnog porijekla i



nastanak biodizela

Sirovo biljno ulje je bitno ubrzanog gušće nego dizelsko gorivo, tijekom izgaranja dolazi do taloženja neizgorjelih dijelova goriva na stjenkama klipa, cilindra, karikama i na samim brizgaljkama. Talog se koksira i dovodi do smetnji u radu motora i stalnog pogoršanja karakteristika, pogoršanja emisije štetnih plinova.

 Uslijed lošijeg raspršivanja goriva i više temperature isparivanja repičino ulje dolazi u dodir s uljem za podmazivanje, te ga razrjeđuje što završava havarijskim kvarovima.

 Pri pogonu sirovim biljnim uljem motora je već pri temperaturi od 20 °C pokretanje hladnog otežano, kod temperature od 0 °C pokretanje hladnog motora nije moguće, a pri temperaturama od -10 °C biljno ulje postaje žitka masa slična margarinu što u potpunosti onemogućava njegovu uporabu kao goriva.

 Kontrolom nataloženih nečistoća u spremniku goriva, utvrđeno je da dolazi do stvaranja gljivica koje su se kasnije proširile po čitavom sustavu za napajanje gorivom.

 Problem je viskozitet, riješen primjenom relativno jednostavnog kemijskog procesa – preesterizacijom. U procesu preesterizacije biljnom (repičinom) ulju smanjuje se čime se znatno poboljšava mogućnost pokretanja hladnog motora, a smanjuje se i stvaranje koksnih naslaga.

Biodizel kao pogonsko gorivo

9

Biodizel i norme

 proizvodnjom u malim pogonima  velika odstupanja u kvaliteti  standardizacija svojstava goriva + centralizacija proizvodnje  Veljača 1991. - u Austriji - prednorma (predstandard) ÖNORM C1190  Veljača 1994. - usvojena Austrijska norma.

 Lipanj 1994. Njemačka prednorma DIN V51 606  Krajem 2003. - godine europska norma EN 14214

Automotive fuels - Fatty acid methyl esters (FAME) for diesel engines Requirements and test methods

Hrvatska

 2004.

– usvojena EN 14214:2003  Danas HRN EN 14214:2010 (= EN 14214:2008+A1:2009)

Biodizel kao pogonsko gorivo

10

Karakteristike goriva

Veličina

Približna kemijska formula Molekularna masa C H O S N Pepeo Stehiometrijska količina zraka Gustoća (15 ° C) Promjena gustoće Ogrjevna vrijednost Volumetrijska ogrjevna vrijednost Ogrjevna vrijednost smjese (0 ° C, 1 bar) Početak isparivanja Kraj isparivanja Cetanski broj Kinematička viskoznost 20 ° C 40 ° C 100 ° C Temperatura stinjavanja Plamište

Jedinica

g/mol % mase % mase % mase % mase % mase % mase kg zraka / kg goriva kg/m 3 kg/m 3 K MJ/kg kJ/m 3 kJ/m 3 ° C ° C mm 2 /s mm 2 /s mm 2 /s ° C ° C

Diesel

CH 1.85

120 ÷ 320 86.5

13 0 0.14 / 0.05 / 0.01

0.015

0.01

14.4

835 0.73

42.50

3536 3813  180  350 50 6.65

2.31

0.8

+5 ÷ -24 70 ÷ 90

FAME(RME)

C 19 H 35.2

O 2 296 76.5

12.3

11.0

0.002

0.1

0.02

12.8

878 0.83

37.10

3265 3775  320  360  48 7.07

4.35

1.78

-12 110 ÷ 140

Biodizel kao pogonsko gorivo

11

              

Rezultati analize biodizela prema HRN EN 14214 Biodizel kao pogonsko gorivo

12

Mješavine biodizela s dizelskim gorivom

 Dizelsko gorivo i biodizel se mogu mješati u svim omjerima.

 Smanjivanje viskoziteta tako nastale mješavine.

 Sprečavanje pojave stinjavanja i geliranja kod biodizela u zimskim periodima kada su temperature okoliša znatno niže.

 Dodavanje biodizela mineralnom dizelskom gorivu poboljšava njegova svojstva mazivosti.

 Sukladno EN ISO HR 590 dodavanje do 7% v/v udjela biodizela smatra se aditiviranjem.

 Cilj: povećanje maksimalnog udjela biodizela u mineralnom dizelskom gorivu na 10%.

Biodizel kao pogonsko gorivo

13

Prednosti biodizela naspram Dizelskog goriva



Povoljnija bilanca CO

2 

Povoljnija emisija štetnih sastojaka iz motora



Brza i potpuna biološka razgradivost

 izuzetno primjenjivim u ekološki osjetljivim područjima kao što su npr. nacionalni parkovi ili vodocrpna područja 

Sadrži vrlo malo sumpora (<0,02% mase)



Relativno jednostavna proizvodnja



Izvrsna svojstva mazivosti

Biodizel kao pogonsko gorivo

14

Utjecaj na emisiju štetnih sastojaka iz motora

Izvor: EPA - Analysis of the Exhaust Emission Impacts of biodiesl, Presentation to the Mobile Source Technical Review Subcommittee, 2002 http://www.epa.gov/air/caaac/mstrs/korotney.pdf

Biodizel kao pogonsko gorivo

15

Što se ograničava kod MSUI?

2 0 8 6 4 20 18 16 14 12 10 NOX CO EURO I EURO II 01.03.1983. 01.05.1990. 01.07.1992. 01.10.1995.

EURO III 2000 CH EURO IV 2005 PT EURO V 2008 EURO VI 2012 Smanjenje dopuštenih emisija štetnih sastojaka prema ECE pravilniku broj 49

Biodizel kao pogonsko gorivo

16

Što se ograničava kod MSUI?

Razvoj propisa o ograničavanju emisije štetnih tvari Euro 0 do Euro 6 u %

Biodizel kao pogonsko gorivo

17

Što se ograničava kod MSUI?

 CO 2 zasad nije ograničen  Zahtjev EU da se prosjek emisije CO 2 flote vozila smanji na 120 g/km  Emisija CO 2 je u linearnoj vezi s potrošnjom i sastavom goriva!

E

CO 2  44

c



m G, h

12 

c

- maseni udio ugljika u gorivu 

m G,h

- satna potrošnja goriva Ciljevi automobilske industrije u smanjenju emisije CO 2

Biodizel kao pogonsko gorivo

18

Ciklus CO

2

u slučaju pogona motora biodizelom

Biodizel kao pogonsko gorivo

19

Emisija CO

2

u milijunima tona u EU 2005. po energetskim sektorima i vidovima transporta

Izvor: Rail Transportation and Environment: Fact & Figures. UIC, CER. Listopad 2008. http://www.uic.asso.fr

Biodizel kao pogonsko gorivo

20

Zašto se emisija CO

2

smatra ključnom

Biodizel kao pogonsko gorivo

21

Nedostatci biodizela

 Nedostatna količina za cjelokupnu zamjenu dizelskog goriva – procjena je da bi se u optimalnim uvjetima biodizelom moglo podmiriti 20 - 30 % ukupnih potreba.

 Uslijed intenzivnijeg gnojenja poljoprivrednih dobara na kojima se uzgaja repica dolazi do stvaranja i isparivanja dušičnog suboksida što rezultira tzv. kiselim kišama.

 Obzirom na vrlo dobro razvijen i uhodan sustav proizvodnje mineralnih goriva, biodizel zasad predstavlja skuplje gorivo.

 Pri pogonu dolazi do pojave potrebno razrjeđivanja ulja za podmazivanje, pa je češće mijenjati ulje ili dodavati aditive za poboljšanje svojstava.

 Biodizel je higroskopan tako da pri dodatne mjere za zaštitu od vlage.

skladištenju treba poduzeti  Relativno slaba energetska bilanca proizvodnje biodizela (za proizvodnju jedne litre biodizela potrebno je oko pola litre mineralnog dizelskog goriva) .

Biodizel kao pogonsko gorivo

22

Krivulja isparavanja

400 375 350 325 300 275 250 225 200 FAME Metilni ester repičinog ulja Dizelsko gorivo 175 150 0 10 20 30 40 50 60 70 Isparena količina goriva [% volumena] 80 90 100 Viša temperatura isparivanja biodizela je nedostatak.

  na nižoj temperaturnoj razini može doći do slabije pripreme smjese razrjeđivanje ulja za podmazivanje motora

Biodizel kao pogonsko gorivo

23

Razrjeđivanje ulja

Uporabom biodizela zbog njegove isparivanja dolazi do pojave više krivulje razrjeđivanja ulja za podmazivanje pa je potrebno češće mijenjati ulje ili dodavati aditive za poboljšanje svojstava.

Zahtjevi proizvođača motora! (Problem jamstava)

Biodizel kao pogonsko gorivo

24

Snaga motora pri pogonu biodizelom

Na istom motoru i kod jednakog stanja okolne atmosfere ostvariva snaga pri pogonu biodizelomu odnosu na pogon dizelskim gorivom može se procijeniti na slijedeći način: 2

n P

e, RME  z

V H p

e, RME 

p

e, RME

P

e, Diesel z

V H p

e, Diesel T 2

n

T

p

e, Diesel Postavljanjem u omjer izraz za efektivnu snagu, mijenja se samo srednji efektivni tlak koji je jednak umnošku efektivnog stupnja korisnosti, stupnja punjenja, gustoće zraka pri standardnom stanju atmosfere i ogrjevne vrijednosti smjese:

p e

 h

e

h

pu



z, stand H s

Biodizel kao pogonsko gorivo

25

Snaga motora pri pogonu biodizelom

Omjerom efektivnih stupnjeva korisnosti slijedi h e, RME h e, Diesel  3 .

6

g e

, RME

H d

, RME 3 .

6

g e

, Diesel

H d

, Diesel 

g e

, Diesel

g e

, RME

H d

, Diesel

H d

, RME  1 1 .

14 1 .

14 1  1 Ogrjevna vrijednost smjese

H

s :

H s

, RME

H s

, Diesel  3265 3536  0 .

923 Iz omjera srednjih efektivnih tlakova slijedi:

p e

, RME

p e

, Diesel  h

e

, RME h

e

, Diesel h

pu

, RME h

pu

, Diesel  z, stand  z, stand

H s

, RME

H s

, Diesel  1  1  1  0 .

923  0 .

92

(Očekivani) pad snage korištenjem biodizela u odnosu na pogon dizelskim gorivom iznosi oko 7,5 ÷ 8 %.

Biodizel kao pogonsko gorivo

26

(Očekivani) pad snage u iznosu od 7,5 %.

Usporedba karakteristike snage i momenta motora pri pogonu mineralnim dizelskim gorivom i biodizelom

Biodizel kao pogonsko gorivo

27

Potrošnja goriva

 Pri pogonu biodizelom specifična potrošnja goriva veća je za približno 14%.

 Razlog 14 % manja ogrijevna vrijednosti biodizela.

 Volumna potrošnja ne raste za isti iznos nego za 8%.

 Zbog različitih gustoća biodizela i Dizelskog goriva

g e

,

V

, RME

g e

,

V

, Diesel 

g e

, RME  RME

g e

, RME  Diesel 

g e

, RME

g e

, Diesel   Diesel RME  1 .

14  0 .

95  1 .

083

Biodizel kao pogonsko gorivo

28

Preinake na motoru

 U slučaju tvornički ne prilagođenih motora najznačajnije preinake pri pogonu biodizelom su promjene u sustavu dobave goriva (otpornost dijelova na koroziju i otpornost gumenih dijelova na djelovanje biodizela).

 Početkom devedesetih godina prošlog stoljeća potrebne preinake na vozilima su se izvodile naknadno u obliku tzv. kitova - kompleta dijelova čijom se zamjenom vozilo činilo sposobnim za pogon biodizelom, odnosno mješavinom mineralnog dizel goriva i biodizela.

 Novija vozila (EURO 3, 4) većina europskih proizvođača isporučuje kao tvornički prilagođena za pogon biodizelom.

 Vozila s EURO 5 motorima – zabrana korištenja B100

!

Biodizel kao pogonsko gorivo

29

EURO 5 i biodizel Kakva je budućnost biodiezla?

  Za zadovoljavanja EURO 5 propisa na Dieselove motore ugrađuju se DPF filtri čestica i SCR katalizatori za smanjenje emisije NO X .

Glavni problem je u tome što strategije za smanjenje čestica (PM) i NO X u međusobnoj suprotnosti tj. smanjenjem jedne komponente povećava se druga.

  Za funkcioniranje SCR katalizatora u ispuh se ubrizgava otopine uree (komercijalni naziv AdBlue).

Za rad DPF filtra povremeno se ubrizgava dodatna količina goriva koja izgara s vrlo visokim temperaturama i spaljuje čestice.

   Dodatno ubrizgavanje biodizela izaziva probleme u radu filtra čestica i SCR katalizatora.  Proizvođači zabranili uporabu B100!

Zbog stalnog razvoja i istraživanja napredak postoji!

Moguće rješenje - parafinski biodizel.

Biodizel kao pogonsko gorivo

30

Shema sustava za pročišćavanje ispušnih plinova Dieselovog motora Euro 5

Oznake: 1 - spremnik otopine uree (AdBlue), 2 - osjetnik temperature, 3 - osjetnik napunjenosti spremnika, 4 dobavni modul, 5 - upravljački uređaj, 6 - modul za doziranje, 7 - spremnik zraka, 8 - osjetnik temperature, 9 osjetnik ispušnih plinova, 10 - dovod zraka, 11 - pročišćeni ispušni plinovi, 12 - cijev raspršivača.

Biodizel kao pogonsko gorivo

31

Shema sustava za pročišćavanje ispušnih plinova Dieselovog motora Euro 6

Oksidacijski katalizator (DOC) služi za smanjenje količine NOX u ispuhu, filtar čestica čađe (DPF) služi za pohranjivanje čestica i naknadno izgaranje, SCR+ASC katalizator (engl. Selective Catalytic Reduction + Ammonia Slip Catalyst) služi za smanjenje NOx.

Biodizel kao pogonsko gorivo

32

Završne napomene

1/2

  EN 590 dozvoljava dodavanje do 7 % biodizela bez ikakvog posebnog naglašavanja.

U praksi to znači da ukoliko kupujete dizelsko gorivo npr. u Austriji, Njemačkoj, Francuskoj ili nekoj drugoj zemlji koja proizvodi možda se jednim dijelom „vozite na biodizel“, a da to niti ne znate.

biodizel   U prošlosti je osnovni problem bila agresivnosti biodizela prema materijalima koji su se do tad uobičajeno koristili za izradu vodova i brtvi u sustavu napajanja gorivom.

Svi su vodeći proizvođači Dieselovih motora za pogon osobnih ili gospodarskih vozila, poljoprivrednih i građevinskih strojeva zbog zahtjeva tržišta, a i zbog mogućnosti da se u dizelskom gorivu već nalazi biodizel morali napraviti prilagodbe motora za pogon biodizelom.

 S aspekta prilagođenosti pogona motora biodizelom svejedno da li se motor pogoni 100%-tnim biodizelom ili mješavinom biogoriva i mineralnog goriva. U oba slučaja motor i njegovi sustavi moraju biti prilagođeni za pogon biodizelom.

Biodizel kao pogonsko gorivo

33

Završne napomene

2/2

 Dva osnovna slučaja  proizvođač odobrava pogon vozila 100% biodizelom i nudi jamstvo i u slučaju pogona biodizelom  vozilo izvan jamstvenog roka i sva je odgovornost na strani korisnika  Većina zastupnika u Hrvatskoj prema naputcima proizvođača dozvoljava pogon mješavinom mineralnog dizel goriva s najviše (5) 7 % dodanog biodizela i to samo ako je on u skladu s EN 14214.

 Općenit i jednoznačan odgovor nemoguće je dati, ali kao grubo pravilo može se reći da vozila s Dieselovim motorom starosti do osam/devet godina (EURO 3 i 4) u pravilu bi se morala moći pogoniti biodizelom bez poteškoća.



Za krajnjeg korisnika jedini pravilan pristup za uprabu biodizela je provjera kod pojedino vozilo.

tehničke službe odgovarajuće marke vozila za svako

(Riječ je o običnoj tehničkoj informaciji koja se ne naplaćuje).

Biodizel kao pogonsko gorivo

34

Zahvaljujem na pažnji!

prof. dr. sc.

Zoran Lulić

, dipl. ing. stroj.

Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za motore i vozila Ivana Lučića 5 10000 Zagreb [email protected]

Biodizel kao pogonsko gorivo

35