Podstawowym paliwem do zasilania silników o zapłonie samoczynnym są oleje napędowe. Ich głównymi składnikami są produkty przeróbki ropy naftowej. W dobie kryzysu paliwowego w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych oraz obecna sytuacja energetyczna w świecie, zdeterminowana zmniejszającymi się zasobami i wzrostem ceny ropy naftowej, spowodowały zainteresowanie paliwami odnawialnymi.

Należy podkreślić, że paliwa odnawialne (roślinne) były stosowane jako paliwa do silników o ZS już na początku XX wieku (olej arachidowy zastosowany przez R. Diesla), a następnie sporadycznie w czasie drugiej wojny światowej. Od kilkunastu lat, jako paliwa alternatywne do silników o zapłonie samoczynnym oferowane są oleje roślinne. Są one otrzymywane z olejów roślinnych, głównie z rzepaku (Europa) jako estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych (FAME) oraz z soji (USA).
Potencjalnymi, dopuszczalnymi surowcami są także inne oleje roślinne, np. słonecznikowy, jak również tłuszcze zwierzęce.
Zastąpienie paliw kopalnianych paliwami odnawialnymi w sektorze transportowym sprzyja wielu istotnym korzyściom, jak: ochronie środowiska, generowaniu miejsc pracy oraz przychodom, zwłaszcza w sektorze rolniczym.

Rynek “biopaliw” w Europie
Paliwa pochodzące z roślin nazywa się biopaliwami lub paliwami “zielonymi”, przy czym w odniesieniu do silnika o zapłonie samoczynnym (ZS) najczęściej pod tą nazwą rozumie się oleje roślinne przetworzone chemicznie w celu uzyskania właściwości fizykochemicznych zbliżonych do oleju napędowego. Główne kierunki polityki Unii Europejskiej w zakresie biopaliw zostały zapisane w dokumentacjach: Biała Księga Komisji Europejskiej “Energia dla przyszłości - odnawialne źródła energii” (White Paper for a Community Strategy and Action Plan Energy for the Futoure - Renevable Sources of Energy), przyjęta przez Komisję 26 listopada 1997 roku (COM/97/599) oraz Zielona Księga Komisji Europejskiej “Strategia bezpieczeństwa energetycznego” (Greek Paper Security of Energy Supply), przyjęta 29 listopada 2000 roku (COM/2000/769) zmodyfikowane w czerwcu 2002 roku (COM/2002/321). Sytuacja odnośnie biopaliw w Europie jest ogromnie zróżnicowana. W Europie produkcję estrów RME czy FAME przeznaczonych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym jako pierwsza rozpoczęła w 1991 roku Austria, później Francja i Niemcy. W 1994 roku produkcja europejska wynosiła zaledwie 55 tys. ton. Zdecydowany wzrost produkcji biopaliw (o 93%) nastąpił w Europie w ciągu dwóch lat 1997÷1999. W 1999 roku europejska produkcja paliwa Diester została oszacowana na 470 tys. ton, co stanowi wzrost w porównaniu z 390 tys. ton w roku 1998. Należy podkreślić, że tylko 6 krajów Unii Europejskiej wnosi istotny wkład w produkcję biopaliw. Austria i Francja są najaktywniejszymi krajami w dziedzinie wprowadzania biopaliw.
Austria jest jednym z krajów, które najwcześniej wprowadziły program wykorzystania bioenergii. W 1991 roku uruchomiono jedną z pierwszych przemysłowych instalacji do produkcji biodiesla w Aschach. W 1999 roku produkcja biodiesla w Austrii wynosiła ok. 298 tys. ton, co stanowiło około 34% całkowitej produkcji Unii Europejskiej i ok. 7% zużycia austriackiego oleju napędowego przez transport.

Tablica 1. Zalecenia wprowadzania biodiesla w krajach Unii Europejskiej.

Francja była jednym z pierwszych krajów wprowadzających aktywną politykę w dziedzinie biopaliw. Zainicjonowany w 1991 roku program obejmował główne sektory związane z produkcją biopaliw: producentów nasion, wytwórców oleju, producentów silników, Agencję Środowiska i Energii (ADME) oraz autorytety publiczne. Wynikiem programu była pilotażowa produkcja i ulgi podatkowe na estry oleju rzepakowego i słonecznikowego, które były mieszane z olejem napędowym w ilości 5%. Produkcja biopaliw w 1999 roku we Francji osiągnęła poziom 344 tys. ton, z czego ok. 2/3 to biodiesel, co stanowiło 0,7% całkowitego zużycia produktów naftowych.

Tablica. 2. Średni skład pierwiastkowy oleju napędowego i paliw rzepakowych, %(m/m).

Niemcy są obecnie trzecim, największym producentem biodiesla. W 1999 roku produkcja wynosiła ok. 130 tys. ton, co stanowiło ok. 15% całkowitego zużycia biopaliw w Unii Europejskiej. W 2001 roku w Niemczech wyprodukowano ok. 250 tys. ton biodiesla, co stanowiło ok. 1% rynku oleju napędowego. Biodiesel jest sprzedawany w postaci stuprocentowego estru, ponieważ przepisy prawne zwalniają w całości z akcyzy taki produkt. Normalną akcyzą objęte są natomiast wyroby o zawartości powyżej 3% produktów petrochemicznych. Kluczowym powodem, dlaczego Niemcy nie mieszają estru z olejem napędowym jest tamtejszy system podatkowy. W 2002 roku Niemcy podwoili produkcję w wyniku otwarcia kilku nowych fabryk. Szwecja rozpoczęła produkcję biodiesla w 2000 roku. W swoim scenariuszu na następne 20÷40 lat zamierza zastąpić biopaliwami ok. 25÷50% dzisiejszych paliw, bazując na leśnictwie i rolnictwie. Szwedzka Administracja Krajowej Energii wierzy, że możliwe jest osiągnięcie 10% rynkowego udziału biopaliw w ciągu 10 lat. Produkcja biopaliw w Szwecji osiągnęła w 2000 roku poziom ok. 50 tys. ton.

Rys. 1. Składniki ziaren rzepaku.

Włochy - produkcja biopaliw w 1999 roku wynosiła ok. 96 tys. ton. Krajowy plan wykorzystania biomasy dostarczonej przez rolnictwo i leśnictwo obejmuje produkcję bioetanolu, biodiesla i ETBE. Włoski system jest oparty na limitowaniu ilości biodiesla zwolnionego z akcyzy. Obecnie 125 tys. ton estru podlega całkowitej defiskalizacji. Prognozy na rok 2005 wskazują, że ilość ta zostanie podwojona. Poszczególne fabryki mają przydzielone określone ilości możliwe do opodatkowania. Stosuje się dwa stopnie domieszek: 5% i 30% (podobnie jak we Francji). Hiszpania - produkcja biopaliw w 2000 roku osiągnęła poziom 50 tys. ton. Ciekłe biopaliwa objęte są krajowym planem uwzględniającym rozwój wsi i tworzenie nowych miejsc pracy. Szacowana produkcja 500 tys. ton osiągnięta zostanie w roku 2010 przy wsparciu odpowiedniej polityki fiskalnej. Zalecenia wprowadzenia biodiesla w krajach Unii Europejskiej ujęto w tabl. 1, przyjmując za podstawową produkcję z 1998 roku (UFOP) - według danych UE.

Rynek “biopaliw” w Polsce
Zainteresowanie roślinami oleistymi jako źródłem paliw silnikowych pojawiło się w kraju w czasie kryzysu paliwowego w latach 70., gdy deficyt paliw konwencjonalnych wymusił poszukiwanie ich zamienników. Wtedy odżyła koncepcja wykorzystania rzepaku jako surowca do produkcji paliwa silnikowego - estru metylowego kwasu tłuszczowego oleju rzepakowego. Wprowadzenie na polski rynek “biopaliw” stało się rzeczą nieuniknioną, tym bardziej, że wcześniej już z powodzeniem stosowany był w wielu krajach Europy, jak również w USA. Pierwsza w Europie Środkowej i jednocześnie najnowocześniejsza instalacja do produkcji “biodiesla” ruszyła w Rafinerii Trzebinia. Przewidywana wydajność instalacji to produkcja na poziomie 100÷150 tys. ton estrów metylowych oleju rzepakowego rocznie oraz ok. 15 tys. ton gliceryny farmaceutycznej i 250 ton gliceryny technicznej. Dodatkowym argumentem jego wprowadzenia stała się Dyrektywa Unii Europejskiej dotycząca upowszechniania biokomponentów do paliw 2003/030/EC, zakładająca minimalny poziom “biopaliw” w krajowym rynku paliw do transportu (benzyny i oleje napędowe) na poziomie 2% w 2005 roku. Zastosowanie “biopaliw” w gospodarce paliwowej stało się jednym z poważniejszych zadań politycznych w kraju.

Rys. 2. Schemat procesu transestryfikacji.

Najbardziej zainteresowanym sektorem gospodarki jest oczywiście rolnictwo, dla którego produkcja określonych gatunków roślin przemysłowych stabilizuje produkcję - w perspektywie dając duże ilości “biopaliwa” i dodatkowo paliwową samowystarczalność. Zainteresowanie wykorzystaniem oleju rzepakowego bądź jego estrów jako paliwa do silników o zapłonie samoczynnym obejmuje również aspekty socjalne; produkcja biopaliw wiąże się z tworzeniem nowych miejsc pracy, szczególnie w sektorze rolniczym. Przy produkcji “biodiesla’ w Rafinerii Trzebinia znalazło miejsce pracy ok. 40 osób, a w sumie dzięki tej inwestycji rafineria zatrudniła 100 osób. Kolejnym argumentem motywującym do działania w tym zakresie jest problem emisji w aglomeracjach miejskich oraz zaniepokojenie globalnym zanieczyszczeniem środowiska i tzw. “efektem cieplarnianym”.

Właściwości “biopaliw” jako paliw do silników o zapłonie samoczynnym
Właściwości paliw mineralnych i wytworzonych na bazie oleju rzepakowego różnią się w pewnym zakresie. Różnice te wynikają z odmiennych właściwości fizykochemicznych surowców, z których są wytwarzane oraz przyjętej technologii przetwarzania.
Ropa naftowa, podstawowy surowiec do wytwarzania paliw silnikowych, stanowi mieszaninę różnych węglowodorów o cechach zależnych od miejsca wydobycia. Natomiast podstawowymi składnikami rzepaku są tłuszcze, węglowodany i białko - rys. 1.

Wytłoczony z rzepaku olej jest surowcem wyjściowym do pozyskiwania estrów kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego. Olej rzepakowy składa się z trójwartościowego alkoholu i różnych kwasów tłuszczowych. Trójglicerydy stanowią 97% olejów roślinnych. Istotną różnicą w stosunku do oleju mineralnego jest zawartość w oleju rzepakowym około 11% tlenu, co obniża wartość opałową. Głównymi składnikami oleju są nienasycone kwasy tłuszczowe. Trójglicerydy oleju rzepakowego zbudowane są z bardzo dużych cząsteczek, których spalanie jest bardzo trudne. Budowa chemiczna cząsteczek olejów roślinnych jest całkowicie odmienna od oleju napędowego pochodzącego z ropy naftowej. W cząsteczkach mieszaniny różnorodnych węglowodorów oleju napędowego znajdują się od 14 do 20 atomów węgla, przy czym atomy węgla i wodoru są rozmieszczone w łańcuchach prostych lub rozgałęzionych oraz w strukturach pierścieniowych, przy czym dominują kwasy tłuszczowe z 16 i 18 atomami węgla. Są to m.in. kwasy: mirystynowy (C14:0), palmitynowy (C16:0), stearynowy (C18:0), oleinowy (C18:1), linolowy (C18:2), linolenowy (C18:3), arachidowy (C20:0), behenowy (C22:0), erukowy (C22:1), lignocerynowy (C24:0) [5]. Głównym składnikiem (zawartość ponad 50%) większości olejów roślinnych są estry kwasów nienasyconych, posiadające od 1 do 3 wiązań podwójnych. Ponadto oleje rzepakowe mają inny skład pierwiastkowy niż oleje napędowe - tabl. 2.
Ich parametry cechują się znacznym rozrzutem wartości, zależnie od gatunku rzepaku, z którego otrzymano olej oraz stopnia jego rafinacji. Olej rzepakowy posiada w stosunku do oleju napędowego znacznie większą masę molową, kilkakrotnie wyższą lepkość oraz wysoką temperaturę odparowania. Różnice te powodują nieprzydatność surowego oleju rzepakowego do bezpośredniego spalania w silnikach o zapłonie samoczynnym. Niezbędne jest jego przetwarzanie na estry kwasów tłuszczowych, które mają właściwości zbliżone do olejów mineralnych. Ze względu na swoje właściwości oleje roślinne, w tym olej rzepakowy, mogą być stosowanego do bezpośredniego zasilania silników o ZS tylko w bardzo ograniczonym zakresie. Jedną z możliwości polepszenia właściwości olejów roślinnych jako paliwa do silników o ZS jest ich modyfikacja chemiczna poprzez proces estryfikacji, polegający na reakcji alkoholu (najczęściej metylowego, ale także etylowego) z trójglicerydami wyższych kwasów tłuszczowych w obecności katalizatora. Podstawowym problemem olejów roślinnych (OR), w tym oleju rzepakowego jako paliwa silnikowego w konwencjonalnych silnikach o ZS, jest duża lepkość około 10 razy większa niż oleju napędowego (ON). Większa lepkość i gęstość paliw rzepakowych w porównaniu z olejem napędowym wpływają w istotny sposób na działanie aparatury wtryskowej i przebieg wtrysku paliwa. Najsilniej przejawia się wpływ zwiększonej lepkości, choć również inne odmienne właściwości tych paliw decydują np. o przebiegu ciśnień w układzie wtryskowym (moduł sprężystości), rozpadzie strugi i wielkości kropel paliwa (napięcie powierzchniowe). Tłoczenie paliw rzepakowych, a zwłaszcza oleju rzepakowego i jego mieszanin z olejem napędowym, cechującym się znacznie większą lepkością będzie skutkować wzrostem oporów ruchu poruszających się elementów aparatury wtryskowej (tłoczek pompy wtryskowej, zawór odcinający, iglica rozpylacza). Dla zminimalizowania tych problemów konieczne jest prowadzenie procesu estryfikacji oleju rzepakowego, głównie ze względu na zmniejszenie lepkości, a także zwiększenie samozapłonności (LC).

Janusz Jakóbiec
Instytut Technologii Nafty