DIESELOVÝ MOTOR / NAFTA / ŘEPKOVÝ OLEJ / METHYL ESTER ŘEPKOVÉHO OLEJE / SLUNEČNICOVÝ OLEJ / METHYL ESTER SLUNEČNICOVÝ OLEJ / SMĚSNÁ BIOPALIVA / DIESELOVÝ MOTOR / NAFTA / ŘEPKOVÝ OLEJ / ŘEPKOVÁ OLEJ / OLEJOVÝ OLEJ ŘEPKOVÝ / OLEJ OLEJOVÝ L ESTER / SMÍŠENÉ BIOPALIVO
Abstrakt vědeckého článku o průmyslových biotechnologiích, autor vědecké práce – Markov Vladimir Anatolyevich, Devyanin Sergey Nikolaevich, Krylov Vladimir Ivanovich, Bagrov Valery Vladimirovich
Jsou ukázány výhody použití biopaliv vyrobených z rostlinných olejů v dieselových motorech. Prezentovány jsou výsledky experimentálních studií vznětového motoru D-245.12S lehkého užitkového vozidla ZIL 5301 „Bychok“ na směsi motorové nafty a rostlinných olejů.
Podobná témata vědecké práce o průmyslových biotechnologiích, autorem vědecké práce je Vladimir Anatoljevič Markov, Sergej Nikolajevič Děvjanin, Vladimir Ivanovič Krylov, Valerij Vladimirovič Bagrov
Perspektivní využití biopaliv v dieselových motorech
Jsou ukázány výhody použití dieselových motorů biopaliv vyrobených na bázi rostlinných olejů. Byly ukázány výsledky experimentálního výzkumu automobilového dieselového motoru typu D-245.12S malotonážního vozu ZiL 5301 „Bychok“ na směs motorové nafty a rostlinných olejů.
Text vědecké práce na téma “Perspektivy využití biopaliv v dieselových motorech”
Perspektivy využití biopaliv v dieselových motorech
Profesor MSTU pojmenovaný po. N.E. Bauman, doktor technických věd,
Profesor Moskevské státní univerzity pojmenovaný po. V.P. Goryachkina, doktor technických věd,
Ředitel NIIEM MSTU. N.E. Bauman, Ph.D.,
náměstek Ředitel NIIEM MSTU. N.E. Bauman, Ph.D.
Jsou ukázány výhody použití biopaliv vyrobených z rostlinných olejů v dieselových motorech. Prezentovány jsou výsledky experimentálních studií vznětového motoru D-245.12S lehkého užitkového vozidla ZIL 5301 „Bychok“ na směsi motorové nafty a rostlinných olejů.
Klíčová slova: dieselový motor, nafta, řepkový olej, metylester řepkového oleje, slunečnicový olej, metylester slunečnicového oleje, směsné biopalivo.
Perspektivní využití biopaliv v dieselových motorech
VA Markov, SN Devyanin, VI Krylov, VV Bagrov
Jsou ukázány výhody použití dieselových motorů biopaliv vyrobených na bázi rostlinných olejů. Byly ukázány výsledky experimentálního výzkumu automobilového dieselového motoru typu D-245.12S malotonážního vozu ZiL 5301 „Bychok“ na směs motorové nafty a rostlinných olejů.
Klíčová slova: dieselový motor, nafta, řepkový olej, metylester řepkového oleje, slunečnicový olej, metylester slunečnicového oleje, směsné biopalivo.
Pokračující energetická krize, předpovědi poměrně rychlého vyčerpání ropných zdrojů a problémy se znečištěním životního prostředí stále častěji vyvolávají problém nahrazování tradičních ropných motorových paliv palivy získanými z alternativních surovin. Rozvoj ruského palivového a energetického komplexu nevedl k řešení současných akutních energetických problémů. Uhlovodíky jsou stále hlavním energetickým zdrojem a hledají se nové
alternativní způsoby získávání energie zůstávají naléhavě relevantní.
Světová ekonomika se nadále vyvíjí ve směru rostoucí spotřeby energetických zdrojů. Do poloviny tohoto století se tedy růst spotřeby primárních zdrojů oproti roku 2010 zdvojnásobí a bude činit asi 28 miliard tun ropného ekvivalentu (obr. 1) [1]. Zároveň se v důsledku vyčerpávání ložisek nerostných surovin zvyšuje role obnovitelných zdrojů energie. Konkrétně do roku 2050
předpokládá se, že spotřeba energie z vodních elektráren vzroste 2x, energie získaná z biomasy a odpadů 3x, energie z ostatních obnovitelných zdrojů 9x.
Motorová biopaliva se stále více používají v dopravních a stacionárních elektrárnách. Přitom u osobních automobilů vybavených motory s nuceným zapalováním se jako motorové palivo nejvíce používá bioetanol a pro dopravní a stacionární zařízení s dieselovými motory – paliva získaná z různých rostlinných olejů a živočišných tuků.
Rostlinné oleje a jejich směsi s ropnou motorovou naftou lze využít jako motorová paliva v zemědělských komplexech, kde se přímo vyrábějí. To je ekonomicky opodstatněné z důvodu absence obchodních marží a nákladů na jejich přepravu a zpracování.
Pro centralizované zásobování městských vozidel palivem je vhodné používat produkty ze zpracování rostlinných olejů – methyl, ethyl nebo butyl ethery rostlinných olejů, tzv. bionafta nebo biodieselové palivo. Tyto estery mají fyzikální a chemické vlastnosti, které jsou velmi blízké vlastnostem tradičních ropných naftových paliv, což umožňuje jejich použití v dieselových motorech bez jejich převybavování a modernizace. Motorová paliva se získávají z různých rostlinných olejů – řepkového, slunečnicového, kukuřičného, sójového, palmového, palmojádrového, arašídového, bavlníkového aj. [2, 3].
Ozimá řepka je považována za nejperspektivnější olejninu z hlediska výroby motorových paliv [2]. Řepka je zemědělská plodina dobře přizpůsobená našemu mírnému klimatu.
1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050
Rýže. 1. Dynamika globálního růstu spotřeby primárních energetických zdrojů 0:1 – ropa; 2 – zemní plyn; 3 – uhlí; 4 – vodní energie; 5 – biomasa a odpady; 6 – ostatní obnovitelné zdroje energie; 7 – jaderná energie; 8 – neuspokojená poptávka
roste v oblasti Černozemě, Nečernozemské oblasti, Sibiři, Altajském území, Uralu a Dálném východě. V posledním desetiletí dvacátého století. porosty řepky v Rusku zaujímaly 112 tis. hektarů, tj. 276 % všech osevních ploch zemědělských plodin (0,10.0,27 % osetých ploch olejnatých semen). Produkce řepky se v těchto letech zvýšila z 4 na 97 tisíc t. Počátkem nového tisíciletí začala osevní plocha přidělená řepce v Rusku rychle narůstat.
Velmi atraktivní se v podmínkách Ruské federace jeví i využití slunečnicového oleje pro výrobu bionafty. Pokud sojové a řepkové oleje zaujímají přední místo v celosvětové produkci rostlinných olejů, pak v Rusku je nejběžnějším rostlinným olejem slunečnicový: jeho objem výroby přesahuje 80 % celkové produkce rostlinných olejů. Tento olej je zajímavý také proto, že výroba bionafty může být organizována z odpadního slunečnicového oleje ze smažení, který je široce používán v potravinářském průmyslu a veřejném stravování.
V zemích Evropské unie dochází k každoročnímu nárůstu výroby biopaliv. Podle odhadů časopisu Oil World se jen v Německu spotřebuje měsíčně asi 80 tisíc tun řepkového oleje (RO) jako přímá náhrada motorového paliva. A to nezohledňuje ještě významnější objemy jeho spotřeby průmyslem na výrobu metylesteru řepkového oleje (MEME). Údaje o směrech prodeje bionafty v Německu jsou orientační [4]. V roce 2006 činil prodej bionafty (methylesterů rostlinných olejů) v Německu 2,5 milionu tun, z toho 1,01 milionu tun, které byly použity jako přísada do ropy
motorové nafty a 0,5 mil. tun bylo prodáno prostřednictvím čerpacích stanic pro osobní a nákladní automobily. Kromě toho byl jako motorové palivo použit 1 milion tun řepkového oleje.
V zemích Evropské unie se jako motorová paliva pro dieselové motory nejvíce používají metylestery rostlinných olejů [4, 5]. Výroba těchto bionaftových paliv se stále rozšiřuje: v roce 2005 činil její objem výroby v zemích Evropské unie cca 3,5 mil. tun, v roce 2009 dosáhla produkce 12 mil. tun a v roce 2011 bylo vyrobeno cca 18 mil. tun tohoto paliva ( Obr. 2) [1].
Jednou z perspektivních cest ke zlepšení domácí ekonomiky by mohla být postupná částečná (a v dlouhodobém horizontu úplná) náhrada fosilních zdrojů energie energetickými zdroji rostlinného původu. Tomu napomáhá historické zaměření Ruska na zemědělskou výrobu a dostupnost úrodné půdy pro pěstování surovin nezbytných k výrobě biopaliv.
Negativní jevy pro zemědělství, včetně odlivu obyvatel do měst, poklesu zaměstnanosti venkovského obyvatelstva a
Rýže. 2. Dynamika růstu výroby bionafty 0 (estery rostlinných olejů a živočišných tuků) v evropských zemích: 1 – Belgie; 2 – Francie; 3 – Itálie; 4 – Polsko; 5 – Litva
zmenšení orné půdy vedlo v Rusku ke ztrátě třetiny úrodné půdy. Více než 40 milionů hektarů bylo vyřazeno z produkce [1]. Pro srovnání, podle odhadů magazínu Oil World je v zemích EU v současnosti oseto řepkou jen asi 7 milionů hektarů, zatímco zemědělská půda u nás činí celkem více než 400 milionů hektarů, což ukazuje na obrovský potenciál Ruska ve výrobě biopaliv.
Přítomnost velkých ploch orné půdy vhodné pro pěstování olejnin, stejně jako dynamika zvyšování výnosů slunečnice, ozimé a jarní řepky určují potenciál Ruska stát se jednou z předních zemí ve výrobě biopaliv. Navíc pro pěstování těchto surovin lze využít půdy, které jsou nevhodné pro produkci tradičních zemědělských produktů. Jedná se o pozemky přiléhající k dálnicím, nebezpečným průmyslovým odvětvím a také nacházející se v ekologicky nepříznivých oblastech. Využitím těchto pozemků se výrazně zvětší plocha dostupná pro pěstování plodin používaných k výrobě biopaliv. Velkosériová výroba těchto biopaliv vyřeší problém zaměstnanosti venkovského obyvatelstva a zajistí zaručené udržitelné příjmy ve venkovských oblastech, protože poptávka a ceny energetických zdrojů téměř neustále rostou.
V současné fázi rozvoje energetiky obecně a stavby motorů zvláště je jedním z nejpalčivějších problémů snižování emisí různých toxických složek výfukových plynů (EG) do životního prostředí. Navíc doprava zůstává hlavním zdrojem toxických emisí [5]. Výroba a používání motorových paliv rostlinného původu jsou významným environmentálním faktorem.
1330 1EEO 2000 2010 Roky
Rýže. 3. Zvýšené emise oxidu uhličitého ECO2 do atmosféry spojené s lidskou činností v různých oblastech světa: 1 – USA; 2 – Kanada; 3 – Západní Evropa; 4 – Japonsko a země tichomořské oblasti; 5 – Latinská Amerika; 6 – země bývalého SSSR; 7 – východní Evropa; 8 – Čína; 9 – Indie; 10 – zbytek Asie; 11 – Afrika
bezpečnost Ruska. Tento problém má několik aspektů.
V současnosti je obzvláště důležité snižování emisí oxidu uhličitého (CO2) do životního prostředí. To se vysvětluje znatelným nárůstem jeho obsahu v atmosféře, způsobeným rychlým růstem průmyslové výroby a prudkým nárůstem počtu vozidel. V současnosti je ročně do atmosféry vypuštěno více než 25 milionů tun oxidu uhličitého a do roku 2020 toto číslo dosáhne 35 milionů tun (obr. 3) [2]. Oxid uhličitý nepůsobí na lidský organismus přímo toxicky, ale při jeho zvýšeném obsahu v atmosféře vzniká skleníkový efekt vedoucí k tzv. tepelnému znečištění prostředí.
Při použití paliv ze surovin rostlinného původu je dosaženo koloběhu oxidu uhličitého a kyslíku v atmosféře, protože spalováním těchto paliv se uvolňuje stejné množství CO2, jaké bylo spotřebováno z atmosféry při pěstování surovin pro výrobu biopaliv. .
Je třeba poznamenat, že existují další faktory, které mohou zlepšit situaci životního prostředí v zemi s rozšířeným používáním bionafty. Vzhledem k nízkému obsahu síry (10___15 ppm) a nepřítomnosti polycyklických aromatických sloučenin v rostlinných olejích neobsahují výfukové plyny z dieselových motorů na biopaliva prakticky žádné oxidy síry, které po uvolnění do atmosféry tvoří kyseliny přispívající ke kyselým dešťům. a polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), které jsou karcinogeny a způsobují rakovinu. Když se bionafta dostane do půdy a vodních útvarů, rychle se rozloží během několika týdnů.
Mezi další environmentální faktory patří možnost snížení emisí výfukových plynů dieselových motorů jejich hlavních toxických složek, omezená moderními předpisy – oxidy dusíku NOx, oxid uhelnatý CO, nespálené uhlovodíky CH a saze (výfukový kouř), případně pevné částice. Analyzovat ukazatele toxicity výfukových plynů dieselového motoru
Při provozu na bionaftu byly provedeny experimentální studie na dieselovém motoru D-245.12S (4 ChN 11/12,5), provozovaném na směsi ropné nafty a různých biopaliv na bázi rostlinných olejů [6-9]. Uvedený dieselový motor vyrábí Minsk Motor Plant (MMZ) pro lehká nákladní vozidla ZIL-5301 „Bychok“ a jeho modifikace jsou vyráběny pro autobusy Pavlovského automobilového závodu (PAZ) a běloruské traktory Minského traktorového závodu ( MTZ).
Výsledky výzkumu (obr. 4) naznačují, že největší efekt z použití směsí ropné nafty a biopaliv na bázi rostlinných olejů je dosažen z hlediska opacity výfukových plynů Kx. Zejména zvýšení koncentrace metylesteru řepkového oleje ve směsném palivu je způsobeno
vedlo k výraznému poklesu kouřivosti výfukových plynů Kx (viz obr. 4e). V režimu maximálního výkonu (n=2400 min-1) se zvýšením SERM z 0 na 60 % se kouřivost Kx monotónně snížila přibližně 2,6krát (z 18 na 7 % na Hartridgeově stupnici).
Výsledky stanovení měrných hmotnostních emisí standardizovaných toxických látek do atmosféry v režimech 13-stupňového zkušebního cyklu pravidel EHK OSN 49 – oxidy dusíku VMOx, oxid uhelnatý eCO, nespálené uhlovodíky ESN (obr. 5) – naznačují znatelnou závislost emisí těchto toxických složek na složení směsi biopaliv.
Zejména se zvýšením obsahu MERM ve směsném palivu MERM z 0 na 20 % poklesly integrální emise oxidů dusíku eMOx v režimech 13-stupňového cyklu ze 7,286 na 6,542 g/(kWh), tj. 10,2 % (obr. 5e). S dalším zvýšením SERM na 40 a 60 % byl zaznamenán mírný nárůst eMOx na hodnoty 7,441 a 7,759 g/(kWh), což převyšuje tyto emise při provozu na motorovou naftu,
což je 7,286 g/(kWh). Se zvýšením obsahu MERM ve směsném palivu z 0 na 60 % byl zaznamenán monotónní pokles měrných hmotnostních emisí oxidu uhelnatého eCO z 2,834 na 1,932 g/(kWh), tedy téměř 1,5násobek.
Závislost emisí uhlovodíků CH na obsahu MERM ve směsném palivu je složitější. Se zvýšením SERM z 0 na 5 % se emise eCH snížily z 0,713 na 0,626 g/(kWh), tedy o 12,2 %, a s dalším zvýšením MERM na 20 % se emise eCH zvýšily na 0,727 g/( kWh ), tedy téměř na počáteční hodnotu eCH = 0,713 g/(kWh). Se zvýšením MERM na 40 a 60 % se emise eCH opět mírně snížily na 0,692 a 0,681 g/(kWh). Obecně však není vliv obsahu MERM ve směsném palivu na emise uhlovodíků příliš významný.
Výsledky výzkumu naznačují, že i malý přídavek (5.10 %) rostlinných olejů nebo jejich esterů obsahujících asi 10 % kyslíku do ropného paliva může výrazně zlepšit životní prostředí
vlastnosti takového směsného biopaliva. Proto lze biopaliva získaná z rostlinných olejů považovat za přísady obsahující kyslík (oxygenáty), které výrazně zlepšují kvalitu směsných biopaliv. V tomto ohledu se v současné fázi vývoje konstrukce motorů jeví jako vhodné částečně a v dlouhodobém horizontu zcela nahradit ropná paliva biopalivy.
Je třeba poznamenat, že úplná náhrada ropných motorových naft rostlinnými oleji nebo jejich deriváty (methyl nebo ethylestery rostlinných olejů) je v blízké budoucnosti nepravděpodobná. To lze ilustrovat na následujícím příkladu.
Jak již bylo uvedeno výše, nejperspektivnější olejninou z hlediska výroby motorových paliv je ozimá řepka, jejíž průměrný výnos semene je u nás v průměru 1,6 t/ha. S takovým výnosem, ze 160 tun řepky sesbírané z 1 km2 orné půdy, lze vyrobit
Rýže. 4. Závislost opacity výfukových plynů Kx (procento na Hartridgeově stupnici) vznětového motoru D-245.12S na objemovém obsahu řepkového oleje SRM (a), slunečnicového oleje SPM (b), metylesteru řepkového oleje SERM (c), metylester slunečnicového oleje SMEPM (d ) smíchaný s ropnou naftou při různých rychlostních režimech vnější rychlostní charakteristiky (byly studovány nafty s různými konfiguracemi): 1 – n = 2400 min1; 2 – n = 1500 min1; 3 – n = 1080 min-1
výroby, financování s účastí státu na výstavbu podniků na výrobu biopaliv a významné výhody pro výrobce a spotřebitele biopaliv.
1. Markov V.A., Bagrov V.V., Devya-nin S.N. Potřeba a perspektivy používání motorových paliv rostlinného původu // Nákladní automobil.
– 2012. – č. 7. – S. 38-47.
2. Použití rostlinných olejů a paliv na nich založených v dieselových motorech / V.A. Markov, S.N. Devyanin, V.G. Semenov et al. – M.: LLC Scientific Research Center “Engineer”, 2011. – 536 s.
3. Lyotko V., Lukanin V.N., Khachiyan A.S. Využití alternativních paliv ve spalovacích motorech. – M.: Nakladatelství MADI (TU), 2000. – 311 s.
4. Bioenergie: Světové zkušenosti a prognózy vývoje / L.S. Orsik, N.T. Sorokin, V.F. Fedorenko a kol., Ed. V. F. Fedorenko. – M.: FGNU „Rosinformagro-tech“, 2008. – 404 s.
5. Grigorovič D.N. Aplikace biopaliv v železniční dopravě // Doprava na alternativní paliva. – 2010. – č. 1. – S. 59-65.
6. Kotsar Yu.A., Golovashchenko G.A., Pluzhnikov S.V. a další Nové zdroje surovin pro bionaftu // AGZK+AT. – 2011.
7. Markov V.A., Bashirov R.M., Gabitov I.I. Toxicita výfukových plynů nafty. – M.: Vydavatelství MSTU im. N.E. Bauman, 2002. – 376 s.
8. Markov V.A., Shuster A.Yu., Devyanin S.N. Provoz dieselových motorů na směsi motorové nafty a metylesteru řepkového oleje // Doprava na alternativní palivo. – 2009. – č. 4. – S. 33-37.
9. Markov V.A., Stremyakov A.V., Devyanin S.N. Provoz dieselových motorů na směsi motorové nafty a řepkového oleje // Doprava na alternativní paliva.
– 2009. – č. 5. – S. 22-28.
10. Markov V.A., Devyanin S.N., Markova V.V. Využití slunečnicového oleje jako paliva pro dieselové motory // Doprava na alternativní paliva.
– 2010. – č. 5. – S. 42-47.
11. Markov V.A., Devyanin S.N., Nagornov S.A., Akimov V.S. Bionafta z různých surovin // Doprava s využitím alternativních paliv. – 2011. – č. 3. – S. 25-31.
