Czy może być paliwem do zasilania silników o zapłonie samoczynnym?
Wykorzystanie naturalnego oleju rzepakowego surowego, filtrowanego lub rafinowanego do napędu silników o zapłonie samoczynnym jest interesujące ze względów ekonomicznych i ekologicznych.
Od kilkudziesięciu lat obserwujemy dynamiczny rozwój i szerokie rozpowszechnienie zastosowania silników o zapłonie samoczynnym w transporcie samochodowym i innych sferach działalności użytkowej, co jest związane z ich wysoką sprawnością, wyższą od silników z zapłonem iskrowym oraz mniejszą wrażliwością na zmiany właściwości fizykochemicznych paliw. W kraju eksploatowanych jest ponad 13 mln pojazdów samochodowych i ciągników, z czego ponad 4 mln samochodów napędzanych jest silnikiem diesla. Podstawowym źródłem ich napędu są paliwa ropopochodne. Do ich produkcji zużywa się w kraju rocznie ok. 14-15 mln ton ropy naftowej, głównie importowanej. Tak duża liczba pojazdów samochodowych to wzrost potencjalnego zagrożenia środowiska naturalnego emisją spalin wydalanych przez samochody. Wzrastające ceny i deficyt ropy naftowej w ostatnich latach spowodowały zainteresowanie paliwami odnawialnymi, w tym olejami roślinnymi. Oleje roślinne są bardzo atrakcyjne jako paliwo alternatywne z uwagi na
zamknięty obieg CO2 w atmosferze i związane z tym ograniczenie efektu cieplarnianego. Ponadto, wstąpienie Polski do Unii Europejskiej wymusza dostosowanie się do zaleceń w zakresie produkcji biopaliw, które przewidują do roku 2010 wzrost produkcji tych paliw do 5,75 proc. w ogólnym bilansie zużywania paliw silnikowych. Dokonując ekonomicznej analizy zastosowania paliw roślinnych nie można pominąć zagadnienia szeroko rozumianej polityki gospodarczej, a mianowicie zagospodarowania niewykorzystanych użytków rolnych i terenów pogórniczych, produkcji roślin oleistych, przypadku nadprodukcji innych płodów rolnych w innych rejonach, stworzenia nowych miejsc pracy w przemyśle produkcyjnym i dystrybucji paliw roślinnych.
Olej rzepakowy jako paliwo silnikowe
Wykorzystanie naturalnego oleju rzepakowego surowego, filtrowanego lub rafinowanego do napędu silników o zapłonie samoczynnym jest interesujące ze względów ekonomicznych i ekologicznych. Produkcję oleju surowego, a następnie filtrowanego można uruchomić niewielkim kosztem w każdej gminie, wsi, a nawet gospodarstwie. Najprostsza metoda pozyskania oleju z nasion rzepaku przez tłoczenie na zimno pozwala uzyskać właściwości fizykochemiczne różniące się od oleju napędowego. Uzyskany w ten sposób olej rzepakowy z przeznaczeniem na paliwo silnikowe powinien być starannie odfiltrowany i odszlamowany z zanieczyszczeń, zwłaszcza fosforu, związków jodowych, wody, popiołu i innych. Zmniejszenie niepożądanych związków można uzyskać już na etapie tłoczenia poprzez odpowiedni dobór parametrów. Według prof. C. Bocheńskiego, olej rzepakowy pozyskany przez tłoczenie ziaren rzepaku na zimno lub w podwyższonej temperaturze zawiera następujące składniki – patrz rys. 1.
Według innych źródeł nasiona rzepaku zawierają 39-50 proc. tłuszczów, 20-- 24 proc. białka, 25-30 proc. węglowodorów i ligniny, 2-5 proc. glukozynolanów oraz 6-8 proc. wody. Olej rzepakowy, jak wszystkie oleje roślinne, składa się z trzywartościowego alkoholu (gliceryny) i jednego, dwóch lub trzech kwasów tłuszczowych. Trójglicerydy stanowią 97 proc. olejów roślinnych, tzn. wszystkie trzy grupy OH gliceryny są zastąpione przez jednakowe lub różne pozostałości kwasów tłuszczowych, składających się najczęściej ze związków węglowodorowych lub pozostałości węglowych. Trójglicerydy oleju rzepakowego są zbudowane z dużych cząsteczek, których spalanie jest trudne, a występujący tlen zmniejsza jego wartość opałową, co stanowi istotną różnicę stosunku do oleju napędowego. Głównymi składnikami oleju rzepakowego są nienasycone kwasy tłuszczowe. Budowę cząsteczki kwasu tłuszczowego przedstawiono na rys. 2.
Na rodzaj i ilość kwasów tłuszczowych mają wpływ parametry technologii tłoczenia. Oleje rzepakowe mają inny skład pierwiastkowy niż oleje napędowe – tabela 1.
Ich parametry cechują się znacznym rozrzutem wartości, zależnie od gatunku, z którego otrzymano olej oraz od stopnia jego rafinacji. Obecność w cząstkach kwasu tłuszczowego licznych wiązań nienasyconych sprzyja ich utlenianiu i polimeryzacji. Ponadto zawartość estrów nienasyconych kwasów tłuszczowych wpływa na lepkość (płynność) takich olejów. Im jest większa zawartość tych związków, tym jest mniejsza lepkość i niższa temperatura krzepnięcia oleju, co zwiększa możliwości wykorzystania oleju rzepakowego jako paliwa silnikowego. Jednocześnie oleje takie są mniej stabilne termicznie i bardziej skłonne do polimeryzacji, w wyniku której powstają osady węglowe na elementach aparatury wtryskowej i komory spalania silnika. Z kolei wysoko nasycone oleje rzepakowe mają zdolności do krzepnięcia w temperaturze pokojowej i dlatego między innymi obniżają ich przydatność jako paliwa silnikowe. Głównym jednak problemem wykorzystania naturalnego oleju rzepakowego jako paliwa do zasilania silników o zapłonie samoczynnym jest duża lepkość, znacznie gorsza lotność oraz niska temperatura rozkładu termicznego w porównaniu do oleju napędowego. Ponadto, olej rzepakowy surowy (jak wspomniano) zawiera dużą zawartość zanieczyszczeń jak woda i śluzy roślinne. Według profesorów M. Zabłockiego i Z. Szlachty bezpośrednie zastąpienie oleju napędowego surowym olejem rzepakowym lub rafinowanym do zasilania silników o zapłonie samoczynnym nie dało pozytywnych wyników. Podobne stanowisko zawarto w raporcie Menada. Zastosowanie olejów roślinnych, w tym rzepaku, jako paliwa do silnika z zapłonem samoczynnym jest możliwe po dokonaniu odpowiednich modyfikacji:
- zmian konstrukcyjnych silnika; silnik musi być przystosowany do spalania olejów roślinnych bez zmiany ich struktury chemicznej;
- zmiany parametrów olejów roślinnych, aby spełniały wymagania oleju napędowego.
Każdy z wymienionych kierunków ma zalety i wady. Konstruktorzy silników twierdzą, że istnieje realna szansa produkcji silników nowej generacji, dostosowanych do zasilania paliwem z olejów roślinnych przy zachowaniu uwarunkowań ekonomicznych. Znacznie łatwiejsza jest droga oparta na modyfikacji olejów roślinnych w kierunku spełniania wymagań jakościowych oleju napędowego z ropy naftowej poprzez eliminowanie niepożądanych parametrów. Duże i ciężkie cząsteczki oleju rzepakowego można zmniejszyć poddając go procesowi transestryfikacji, czyli przebudowy struktury molekularnej trójglicerydów oleju rzepakowego. Główne korzyści wynikające
z przeestryfikowania naturalnego oleju rzepakowego są następujące:
- istotne zmniejszenie cząsteczek i zmniejszenie lepkości (nawet 10-krotnie);
- wyeliminowanie obecności trójglicerydów powodujących osady w komorze spalania;
- obniżenie temperatury mętnienia i krzepnięcia oraz polepszenie lotności paliwa.
Właściwości jakościowe wyprodukowanego w ten sposób paliwa rzepakowego zależeć będą przede wszystkim od zastosowanego surowca (odmiany rzepaku, jakości nasion, sposobu tłoczenia oleju) i technologii produkcji (temperatury, ciśnienia, rodzaju katalizatora).
Według prof. W. Podkówki znane są udoskonalenia silnika o zapłonie samoczynnym w oparciu o patent Klausa Elsbetta. Silnik taki umożliwia spalanie surowego oleju rzepakowego, jednak zawartość fosforu w paliwie nie powinna przekroczyć 30 mg/kg. W Niemczech już w 1996 roku podjęto próby określenia parametrów jakościowych oleju rzepakowego jako paliwa do adaptowanego silnika o zapłonie samoczynnym. Ministerstwo Rolnictwa Bawarii zaproponowało określone wymagania jakościowe – tabela 2, które dotyczą surowego i rafinowanego oleju rzepakowego.
Proces transestryfikacji z olejów roślinnych, w tym rzepakowego, pozwala na wyprodukowanie paliwa o właściwościach fizykochemicznych podobnych do oleju napędowego z ropy naftowej. Silnik pozostaje bez zmian, co pozwala na użytkowanie obecnie eksploatowanych pojazdów. Istnieje możliwość nieznacznej adaptacji silnika i podzespołów, które umożliwią wykorzystanie olejów roślinnych jako paliwa. Zmiany te winny uwzględnić możliwość wykorzystania oleju rzepakowego w formie naturalnej, jak również po transestryfikacji. Wspomniana adaptacja silnika jest możliwa do wykonania w małych zakładach. Przykładowo, w Niemczech działają specjalistyczne zakłady, które przystosowują silniki o zapłonie samoczynnym lub układy zasilania do spalania oleju rzepakowego tłoczonego na zimno. Na uwagę zasługuje tak zwane rozwiązanie dwubakowe, które nie wymaga żadnych zmian w silniku. Polega ono na zainstalowaniu dodatkowego małego zbiornika na olej napędowy, który zasila silnik aż do momentu osiągnięcia żądanej temperatury przez olej rzepakowy w przewodzie baku głównego. Cały układ jest sterowany elektronicznie i nie wymaga ingerencji kierowcy. Zdecydowanie większe szanse wykorzystania surowców roślinnych, w tym oleju rzepakowego, jako paliwa silnikowego upatruje się w estrach metylowych kwasów tłuszczowych, których właściwości fizykochemiczne są zbliżone do oleju napędowego. Niemniej jednak i w tym przypadku występują również określone trudności w ich wykorzystaniu, wynikające ze specyfiki budowy chemicznej oraz działania silnika i podzespołów współpracujących.
Janusz Jakóbiec
Instytut Technologii Nafty - Kraków
Wykorzystanie naturalnego oleju rzepakowego surowego, filtrowanego lub rafinowanego do napędu silników o zapłonie samoczynnym jest interesujące ze względów ekonomicznych i ekologicznych.
Od kilkudziesięciu lat obserwujemy dynamiczny rozwój i szerokie rozpowszechnienie zastosowania silników o zapłonie samoczynnym w transporcie samochodowym i innych sferach działalności użytkowej, co jest związane z ich wysoką sprawnością, wyższą od silników z zapłonem iskrowym oraz mniejszą wrażliwością na zmiany właściwości fizykochemicznych paliw. W kraju eksploatowanych jest ponad 13 mln pojazdów samochodowych i ciągników, z czego ponad 4 mln samochodów napędzanych jest silnikiem diesla. Podstawowym źródłem ich napędu są paliwa ropopochodne. Do ich produkcji zużywa się w kraju rocznie ok. 14-15 mln ton ropy naftowej, głównie importowanej. Tak duża liczba pojazdów samochodowych to wzrost potencjalnego zagrożenia środowiska naturalnego emisją spalin wydalanych przez samochody. Wzrastające ceny i deficyt ropy naftowej w ostatnich latach spowodowały zainteresowanie paliwami odnawialnymi, w tym olejami roślinnymi. Oleje roślinne są bardzo atrakcyjne jako paliwo alternatywne z uwagi na
zamknięty obieg CO2 w atmosferze i związane z tym ograniczenie efektu cieplarnianego. Ponadto, wstąpienie Polski do Unii Europejskiej wymusza dostosowanie się do zaleceń w zakresie produkcji biopaliw, które przewidują do roku 2010 wzrost produkcji tych paliw do 5,75 proc. w ogólnym bilansie zużywania paliw silnikowych. Dokonując ekonomicznej analizy zastosowania paliw roślinnych nie można pominąć zagadnienia szeroko rozumianej polityki gospodarczej, a mianowicie zagospodarowania niewykorzystanych użytków rolnych i terenów pogórniczych, produkcji roślin oleistych, przypadku nadprodukcji innych płodów rolnych w innych rejonach, stworzenia nowych miejsc pracy w przemyśle produkcyjnym i dystrybucji paliw roślinnych.
Olej rzepakowy jako paliwo silnikowe
Wykorzystanie naturalnego oleju rzepakowego surowego, filtrowanego lub rafinowanego do napędu silników o zapłonie samoczynnym jest interesujące ze względów ekonomicznych i ekologicznych. Produkcję oleju surowego, a następnie filtrowanego można uruchomić niewielkim kosztem w każdej gminie, wsi, a nawet gospodarstwie. Najprostsza metoda pozyskania oleju z nasion rzepaku przez tłoczenie na zimno pozwala uzyskać właściwości fizykochemiczne różniące się od oleju napędowego. Uzyskany w ten sposób olej rzepakowy z przeznaczeniem na paliwo silnikowe powinien być starannie odfiltrowany i odszlamowany z zanieczyszczeń, zwłaszcza fosforu, związków jodowych, wody, popiołu i innych. Zmniejszenie niepożądanych związków można uzyskać już na etapie tłoczenia poprzez odpowiedni dobór parametrów. Według prof. C. Bocheńskiego, olej rzepakowy pozyskany przez tłoczenie ziaren rzepaku na zimno lub w podwyższonej temperaturze zawiera następujące składniki – patrz rys. 1.
Według innych źródeł nasiona rzepaku zawierają 39-50 proc. tłuszczów, 20-- 24 proc. białka, 25-30 proc. węglowodorów i ligniny, 2-5 proc. glukozynolanów oraz 6-8 proc. wody. Olej rzepakowy, jak wszystkie oleje roślinne, składa się z trzywartościowego alkoholu (gliceryny) i jednego, dwóch lub trzech kwasów tłuszczowych. Trójglicerydy stanowią 97 proc. olejów roślinnych, tzn. wszystkie trzy grupy OH gliceryny są zastąpione przez jednakowe lub różne pozostałości kwasów tłuszczowych, składających się najczęściej ze związków węglowodorowych lub pozostałości węglowych. Trójglicerydy oleju rzepakowego są zbudowane z dużych cząsteczek, których spalanie jest trudne, a występujący tlen zmniejsza jego wartość opałową, co stanowi istotną różnicę stosunku do oleju napędowego. Głównymi składnikami oleju rzepakowego są nienasycone kwasy tłuszczowe. Budowę cząsteczki kwasu tłuszczowego przedstawiono na rys. 2.
Na rodzaj i ilość kwasów tłuszczowych mają wpływ parametry technologii tłoczenia. Oleje rzepakowe mają inny skład pierwiastkowy niż oleje napędowe – tabela 1.
Ich parametry cechują się znacznym rozrzutem wartości, zależnie od gatunku, z którego otrzymano olej oraz od stopnia jego rafinacji. Obecność w cząstkach kwasu tłuszczowego licznych wiązań nienasyconych sprzyja ich utlenianiu i polimeryzacji. Ponadto zawartość estrów nienasyconych kwasów tłuszczowych wpływa na lepkość (płynność) takich olejów. Im jest większa zawartość tych związków, tym jest mniejsza lepkość i niższa temperatura krzepnięcia oleju, co zwiększa możliwości wykorzystania oleju rzepakowego jako paliwa silnikowego. Jednocześnie oleje takie są mniej stabilne termicznie i bardziej skłonne do polimeryzacji, w wyniku której powstają osady węglowe na elementach aparatury wtryskowej i komory spalania silnika. Z kolei wysoko nasycone oleje rzepakowe mają zdolności do krzepnięcia w temperaturze pokojowej i dlatego między innymi obniżają ich przydatność jako paliwa silnikowe. Głównym jednak problemem wykorzystania naturalnego oleju rzepakowego jako paliwa do zasilania silników o zapłonie samoczynnym jest duża lepkość, znacznie gorsza lotność oraz niska temperatura rozkładu termicznego w porównaniu do oleju napędowego. Ponadto, olej rzepakowy surowy (jak wspomniano) zawiera dużą zawartość zanieczyszczeń jak woda i śluzy roślinne. Według profesorów M. Zabłockiego i Z. Szlachty bezpośrednie zastąpienie oleju napędowego surowym olejem rzepakowym lub rafinowanym do zasilania silników o zapłonie samoczynnym nie dało pozytywnych wyników. Podobne stanowisko zawarto w raporcie Menada. Zastosowanie olejów roślinnych, w tym rzepaku, jako paliwa do silnika z zapłonem samoczynnym jest możliwe po dokonaniu odpowiednich modyfikacji:
- zmian konstrukcyjnych silnika; silnik musi być przystosowany do spalania olejów roślinnych bez zmiany ich struktury chemicznej;
- zmiany parametrów olejów roślinnych, aby spełniały wymagania oleju napędowego.
Każdy z wymienionych kierunków ma zalety i wady. Konstruktorzy silników twierdzą, że istnieje realna szansa produkcji silników nowej generacji, dostosowanych do zasilania paliwem z olejów roślinnych przy zachowaniu uwarunkowań ekonomicznych. Znacznie łatwiejsza jest droga oparta na modyfikacji olejów roślinnych w kierunku spełniania wymagań jakościowych oleju napędowego z ropy naftowej poprzez eliminowanie niepożądanych parametrów. Duże i ciężkie cząsteczki oleju rzepakowego można zmniejszyć poddając go procesowi transestryfikacji, czyli przebudowy struktury molekularnej trójglicerydów oleju rzepakowego. Główne korzyści wynikające
z przeestryfikowania naturalnego oleju rzepakowego są następujące:
- istotne zmniejszenie cząsteczek i zmniejszenie lepkości (nawet 10-krotnie);
- wyeliminowanie obecności trójglicerydów powodujących osady w komorze spalania;
- obniżenie temperatury mętnienia i krzepnięcia oraz polepszenie lotności paliwa.
Właściwości jakościowe wyprodukowanego w ten sposób paliwa rzepakowego zależeć będą przede wszystkim od zastosowanego surowca (odmiany rzepaku, jakości nasion, sposobu tłoczenia oleju) i technologii produkcji (temperatury, ciśnienia, rodzaju katalizatora).
Według prof. W. Podkówki znane są udoskonalenia silnika o zapłonie samoczynnym w oparciu o patent Klausa Elsbetta. Silnik taki umożliwia spalanie surowego oleju rzepakowego, jednak zawartość fosforu w paliwie nie powinna przekroczyć 30 mg/kg. W Niemczech już w 1996 roku podjęto próby określenia parametrów jakościowych oleju rzepakowego jako paliwa do adaptowanego silnika o zapłonie samoczynnym. Ministerstwo Rolnictwa Bawarii zaproponowało określone wymagania jakościowe – tabela 2, które dotyczą surowego i rafinowanego oleju rzepakowego.
Proces transestryfikacji z olejów roślinnych, w tym rzepakowego, pozwala na wyprodukowanie paliwa o właściwościach fizykochemicznych podobnych do oleju napędowego z ropy naftowej. Silnik pozostaje bez zmian, co pozwala na użytkowanie obecnie eksploatowanych pojazdów. Istnieje możliwość nieznacznej adaptacji silnika i podzespołów, które umożliwią wykorzystanie olejów roślinnych jako paliwa. Zmiany te winny uwzględnić możliwość wykorzystania oleju rzepakowego w formie naturalnej, jak również po transestryfikacji. Wspomniana adaptacja silnika jest możliwa do wykonania w małych zakładach. Przykładowo, w Niemczech działają specjalistyczne zakłady, które przystosowują silniki o zapłonie samoczynnym lub układy zasilania do spalania oleju rzepakowego tłoczonego na zimno. Na uwagę zasługuje tak zwane rozwiązanie dwubakowe, które nie wymaga żadnych zmian w silniku. Polega ono na zainstalowaniu dodatkowego małego zbiornika na olej napędowy, który zasila silnik aż do momentu osiągnięcia żądanej temperatury przez olej rzepakowy w przewodzie baku głównego. Cały układ jest sterowany elektronicznie i nie wymaga ingerencji kierowcy. Zdecydowanie większe szanse wykorzystania surowców roślinnych, w tym oleju rzepakowego, jako paliwa silnikowego upatruje się w estrach metylowych kwasów tłuszczowych, których właściwości fizykochemiczne są zbliżone do oleju napędowego. Niemniej jednak i w tym przypadku występują również określone trudności w ich wykorzystaniu, wynikające ze specyfiki budowy chemicznej oraz działania silnika i podzespołów współpracujących.
Janusz Jakóbiec
Instytut Technologii Nafty - Kraków
Komentarze (0)