JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH ZEMĚDĚLSKÁ FAKULTA

JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH ZEMĚDĚLSKÁ FAKULTA

Studijní program:

B4106 Zemědělská specializace

Studijní obor:

Dopravní a manipulační prostředky

Katedra:

Katedra zemědělské dopravní a manipulační techniky

Vedoucí katedry:

doc. Ing. Antonín Jelínek, CSc.

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Porovnejte vliv různých druhů biopaliv (složení, výrobce) pro vznětové motory na jejich výkon a měrnou spotřebu.

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Josef Frolík, CSc.

Autor: Martin Holý

České Budějovice, duben 2012

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, ţe svoji bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně pouze s pouţitím pramenů a literatury uvedených v seznamu citované literatury. Prohlašuji, ţe v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb. v platném znění souhlasím se zveřejněním své bakalářské práce, a to v nezkrácené podobě (v úpravě vzniklé vypuštěním vyznačených částí archivovaných Zemědělskou fakultou JU) elektronickou cestou ve veřejně přístupné části databáze STAG provozované Jihočeskou univerzitou v Českých Budějovicích na jejich internetových stránkách.

Dne 12. dubna 2012

…………………….

PODĚKOVÁNÍ

Na tomto místě bych chtěl poděkovat panu Ing. Josefu Frolíkovi, CSc., vedoucímu bakalářské práce, za věcné rady a pokyny při řešení zadaného úkolu.

Abstrakt

Práce se zabývá problematikou vyuţití tekutých biopaliv v dopravě. V první části je pozornost zaměřena na technické aspekty jejich vyuţití. Jsou zde shrnuty zdroje pro výrobu biopaliv, charakterizovány jednotlivé výrobní technologie a uvedeny fyzikálně - chemické vlastnosti jejich produktů, způsoby distribuce a ekologické aspekty pouţití. Je zde rovněţ stručně popsána historie pouţívání biopaliv v České republice. Dále je popsána technologická jednotka na výrobu FAME společnosti PREOL, a. s., Lovosice. Závěrem je uveden pouţívaný sortiment biopaliv v dopravě v České republice. Druhá část práce obsahuje experimentální měření na motorové brzdě u traktoru Zetor 6211 v dílnách Zemědělské fakulty, Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích a jeho zpracování s vyhodnocením výstupu měření.

Klíčová slova: biopaliva, vznětový motor, výkon, měrná spotřeba.

Summary

This work deals with the issue of using liquid biofuels in transport. The first part concentrates on technical aspects of their use. It summarizes sources for producing biofuels, characterizes individual production technologies and states physical and chemical properties of their products, ways of distribution and ecological aspects of their uses. It also briefly describes the history of using biofuels in the Czech Republic. Further on, it describes a technological unit to produce FAME by the company PREOL, a.s., Lovosice. Finally, it summarizes the existing range of biofuels used in transport in the Czech Republic. The second part contains experimental measuring on the motor brake of tractor Zetor 6211 in workshops of Agricultural faculty of South Bohemia University in České Budějovice and its processing with measurement evaluation.

Key words: biofuels, diesel engine, performance, comparative consumption.

Obsah

1. Úvod …………………………………………………………………….

9

2. Literární přehled ………..……………………………………………….

10

2.1 Historie pouţívání biopaliv v České republice ……………………..

10

2.2 Základní suroviny pro výrobu biopaliva …………………………….

10

Biopaliva první generace ……………………………………

12

2.2.1.1 Bionafta …………………………………………………

12

2.2.1.2 Bioetanol ………………………………………………..

13

2.2.2

Biopaliva druhé generace …………………………………...

14

2.2.3

Bioplyn ……………………………………………………...

14

2.2.1

2.3 Technologické postupy získávání biopaliva, jejich sloţení a fyzikální vlastnosti ……………………………………………………………. 2.3.1 Kapalná biopaliva …………………………………………...

15 15

2.3.1.1 Bionafta …………………………………………………

15

2.3.1.2 Rostlinné oleje …………………………………………..

18

2.3.1.3 Bioetanol (biolíh) ……………………………………….

20

2.3.1.4 Potencionální vliv na ţivotní prostředí ………………….

23

Bioplyn ……………………………………………………...

23

2.3.2.1 Výroba bioplynu ………………………………………...

23

2.3.2.2 Potencionální vliv na ţivotní prostředí ………………….

26

3. Technologie na výrobu FAME – společnost PREOL, a. s., Lovosice …..

27

4. Certifikace udrţitelnosti biopaliv ………………………………………..

28

5. Cíl práce ………………………………………………………………….

30

6. Pouţívání biopaliv v dopravě v České republice ………………………...

31

6.1 Bionafta jako palivo pro pohon vznětových motorů …………………

31

Porovnání provozních parametrů motoru s MEŘO a motorovou naftou ………………………………………………………… 6.2 Ekonomická podpora biopaliv ……………………………………….

31 34

2.3.2

6.1.1

7. Měření technických parametrů na motorové brzdě ………………………

34

7.1 Stávající metody měření hlavních parametrů spalovacích motorů ….

34

7.2 Materiál a metodika ………………………………………………….

35

7.3 Naměřené a vypočtené hodnoty s grafy charakteristik……………….

41

7.4 Výsledky měření a diskuze…………………………………………...

48

8. Závěr ……………………………………………………………………...

51

Seznam pouţité literatury a zdrojů …………………………………………...

52

1.

Úvod

V odvětví dopravy je v současné době realizováno více neţ 30 % celkové spotřeby energie v členských zemích Evropské unie. K této hodnotě se pozvolna blíţí i spotřeba energie v dopravě na území České republiky, coţ znamená prudký nárůst emisí oxidu uhličitého (CO2). Jedná se především o emise vznikající spalováním fosilních paliv, které jsou největší příčinou absolutního nárůstu obsahu skleníkových plynů v atmosféře. Jeho emise musí být v zájmu minimalizace dopadů změny klimatu důsledně omezovány. Hrozba globálních změn klimatu je v současnosti jednou z nejdiskutovanějších otázek. Mnohými klimatology, ekology a dalšími odborníky, a také politiky či nevládními organizacemi je povaţována za jeden z nejzávaţnějších problémů, se kterými se lidstvo bude muset v blízké budoucnosti potýkat. Na základě vědeckých poznatků a následných prognóz vznikla Rámcová úmluva OSN o změně klimatu, která byla přijata na Konferenci OSN o ţivotním prostředí a rozvoji v Rio de Janeiru v roce 1992. Následně došlo k ratifikaci Kjótského protokolu, který rozvinutým zemím stanovuje závazek na sniţování emisí skleníkových plynů. Evropská unie přistoupila k opatřením, jejichţ realizace by měla zajistit omezení skleníkových plynů do roku 2020 aţ o 20 % v rámci čehoţ byl navrţen cíl nahradit do roku 2020 v oblasti silniční dopravy aţ 10 % tradičních pohonných hmot alternativními palivy. Jedná se o směrnici Evropského parlamentu a Rady 2003/30/ES o podpoře uţívání biopaliv nebo jiných obnovitelných pohonných hmot v dopravě a směrnici 2009/28/ES o podpoře vyuţívání energie z obnovitelných zdrojů a o změně a následném zrušení směrnic 2001/77/ES a 2003/30/ES. Směrnice byly do české legislativy transportovány především prostřednictvím zákona č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší, ve znění zákona č. 180/2007 Sb., jimţ je uzákoněna povinnost pro osoby, které uvádějí do volného daňového oběhu, tj. na tuzemský trh, motorové benzíny a motorovou naftu (výrobci, distributoři a dovozci uvedených motorových paliv), zajistit, aby v pohonných hmotách uváděných do volného daňového oběhu bylo obsaţeno i minimální mnoţství biopaliv. Novela zákona č. 86/2002 Sb. od 1. 4. 2010 navyšuje minimální podíl biopaliv u motorové nafty na 6,3 % objemových a u motorového benzinu na 4,5 % objemových. Vzhledem k tomu, ţe výroba biopaliv je nákladnější neţ výroba klasických fosilních paliv, je nutné biopaliva finančně zvýhodnit, aby byla zajištěna jejich konkurenceschopnost na trhu ve srovnání s čistě fosilními pohonnými hmotami. Podaří - li se nastavit optimální systém finančního zvýhodnění, lze předpokládat, ţe zainteresované subjekty komerční sféry budou mít snahu vybudovat dostatečnou distribuční síť těchto paliv a bude vzrůstat také počet uţivatelů vozidel vyuţívajících tato paliva. |9

2.

Literární přehled

2.1

Historie používání biopaliv v České republice

Biopaliva se pouţívala v podstatě do doby, kdy se masově začalo těţit uhlí, ropa a zemní plyn. Zemědělská výroba slouţila nejen k zajištění potravy pro lidi, ale i k produkci krmiva pro koně a skot. Osobní a nákladní doprava zprostředkovaná koňmi a voly měla jediný zdroj energie a ten pocházel ze zemědělské výroby. Podle Vlka (2006) historie pouţívání biopaliv u nás začíná jiţ po první světové válce, kdy se začaly vyrábět a prodávat lihobenzinové směsi. Pod názvem Dynakol se prodávaly směsi s obsahem 50 % etanolu, 30 % benzenu a 20 % benzinu. Aţ do roku 1932 konkuroval tento výrobek autobenzinu obsahujícímu jen ropný benzin. V letech 1926 aţ 1936 bylo v Československu zavedeno ze zákona povinné mísení 20 % bezvodného etanolu s benzinem. Pouţívání lihobenzinových směsí zaniklo u nás aţ počátkem padesátých let minulého století. Další etapa vyuţití biopaliv byla v České republice zahájena v roce 1992 tzv. Olejovým programem, který byl dotován státem. Program byl zaveden pro podporu výroby a uţití metylesterů řepkových olejů (MEŘO) v rámci cíleného osazování orné půdy řepkou olejnou. V letech 1992 aţ 1996 byla podpora poskytována formou návratných finančních výpomocí na výstavbu i nákup technologií a od roku 1997 pro uplatnění přídavku min. 30 % MEŘO do motorové nafty na výrobu směsné nafty. Tato příznivá situace skončila zvýšením DPH z 5 % na 19 % a naším vstupem do Evropské unie. Jediným zvýhodněním směsné motorové nafty zůstala niţší sazba spotřební daně. Podmínky pro vyuţití MEŘO pro pohon se na tuzemském trhu zhoršily, a proto směsná nafta počínaje rokem 2004 dočasně začala mizet z českého trhu. (Vlk, 2006) V roce 2007 byla zvýšena sazba spotřební daně směsné nafty na stejnou úroveň jako čistá fosilní motorová nafta. Z toho důvodu se stala směsná nafta prakticky neprodejnou. V roce 2008 byla opět sníţena sazba spotřební daně na směsnou naftu, coţ vedlo k znovuoţivení obchodu s tímto produktem.

2.2

Základní suroviny pro výrobu biopaliva

Jako biopaliva označujeme paliva, která jsou z větší části nebo zcela vyrobena z obnovitelných zdrojů. Liší se tím od fosilních paliv, jejichţ zdrojem je ropa a zemní plyn, tedy ty suroviny, jeţ se tvořily po miliony let a jejichţ zásoby postupně docházejí. Obnovitelnými zdroji energie obecně potom máme na mysli energii větru a slunečního záření, geotermální energii, energii vody, půdy, vzduchu, biomasy, skládkového a kalového plynu. Na obr. 2.1 je pro ilustraci uveden | 10

předpoklad vyuţití obnovitelných zdrojů v PJ (1 PJ = 1015) podle představ NEK (Nezávislé odborné komise pro posuzování energetických potřeb České republiky v dlouhodobém časovém horizontu - tzv. Pačesovy komise). (Srdecný et al., 2009)

Obr. 2.1 Předpoklad vyuţití obnovitelných zdrojů. Zdroj: Srdecný et al., 2009 (cit. NEK)

I kdyţ je potenciál obnovitelných zdrojů obrovský, zásadním problémem zůstává účinnost přeměny. Zejména u biomasy je účinnost velmi nízká - sklizené rostliny obsahují méně neţ jedno procento sluneční energie. To je dáno i tím, ţe rostliny vyuţívají sluneční paprsky jen během několika měsíců vegetačního období. Účinnost se dále sniţuje tím, ţe vyuţíváme jen část biomasy (např. zrno). Další významné ztráty vznikají při jejím spalování, zatímco při přeměně na teplo v kotlích na biomasu vyuţijeme aţ 80 % energie v rostlinách, automobilový motor poháněný třeba řepkovým olejem má účinnost jen okolo 25 % (Srdečný et al., 2009). Důsledkem ztrát v celém řetězci je pak potřeba velkých ploch pro pěstování biomasy, zejména při výrobě biopaliv. Významnou výhodou biopaliv (nejen tekutých) je to, ţe slouţí jako akumulátor energie, neboť je lze poměrně jednoduše a dlouhodobě skladovat. To se o teple nebo elektřině říci nedá. Současně také platí, ţe diverzifikace zdrojů zvyšuje bezpečnost dodávek. Tím, ţe jsou obnovitelné zdroje na území České republiky dostupné, jejich vyuţíváním se sniţuje energetická závislost (v současnosti se k nám asi 40 % energie dováţí, zejména ropa a plyn). Obnovitelné zdroje v současnosti pokrývají asi 5 % spotřeby primárních zdrojů. Teoretický potenciál obnovitelných zdrojů mnohokrát přesahuje současnou spotřebu. Pro vyuţití však můţeme pouţít pouze ekonomicky dostupné technologie, coţ potenciál značně sniţuje. (Srdecný et al., 2009)

| 11

Pokud se týká energetického vyuţití biomasy, lze ji spalovat přímo, anebo jsou spalovány kapalné, resp. plynné produkty jejího zpracování. Základní postupy přípravy, resp. zpracování biomasy lze na základě jejich principu rozdělit do následujících skupin: -

mechanické – štípání, drcení, lisování, peletace, mletí (výroba pevných paliv), lisování (výroba olejů);

-

termochemické – pyrolýza, zplyňování, hydrokrakování;

-

biochemické – fermentace, anaerobní kvašení a anaerobní kvašení (metanizace, výroba bioplynu);

-

chemické – esterifikace (výroba bionafty a přírodních maziv).

(výroba

bioetanolu)

Pro výrobu biopaliv lze pouţít poslední tři z uvedených postupů přeměny biomasy (Šebor et al., 2006; Srdecný et al, 2009). Evropská unie přijala směrnici podle které by v roce 2020 měla biopaliva krýt 10 % spotřeby paliv v silniční dopravě. Odhad potenciálu biopaliv pro Českou republiku předpokládá naplnění výše uvedeného poţadavku. Odhaduje se, ţe při vyuţívání dosavadních postupů pro výrobu biopaliv by bylo potřeba 600 tis. ha orné půdy pro výrobu bionafty z řepky a biolihu z obilí a cukrovky. Očekávat lze nicméně rychlejší vývoj ve výrobě biopaliv z odpadu a jiných surovin, které nevyţadují cílné pěstování, takţe zábor půdy bude ve skutečnosti menší. Podíl biopaliv se můţe dále zvýšit tím, ţe klesne spotřeba ropných produktů a v silniční dopravě se bude více vyuţívat elektřina, případně vodíkové technologie. (Srdecný et al., 2009) Podle Srdecného et al. (2009) biopaliva rozlišujeme dle toho, zda mají nahradit naftu ve vznětových (dieselových) motorech, nebo benzín v záţehových motorech. Jiné rozlišení je podle získání vstupní suroviny na biopaliva první a druhé generace. Do první generace patří paliva vyráběná z cíleně pěstovaných plodin. Můţe jít o etanol z obilí, bionaftu a rostlinné oleje z řepky, slunečnice a jiných zemědělských plodin. Biopaliva druhé generace se vyrábí z nepotravinářských surovin, např. ze slámy, dřeva a dřevního odpadu, papíru aj. Jejich produkce tedy nevyţaduje zemědělskou půdu, která by se mohla vyuţít pro pěstování potravin. Energie pro získání vstupní suroviny je niţší. Vyţadují však náročnější technologii, proto se teprve začínají rozšiřovat.

2.2.1 Biopaliva první generace

2.2.1.1 Bionafta

Termín bionafta byl zaveden pro metylestery mastných kyselin – FAME (Fatty Acid Methyl Ester). Podstatou výroby je tzv. transesterifikace, do které vstupuje olej z olejnatých rostlin (sója, řepka olejná, slunečnice) nebo ţivočišný tuk | 12

(např. hovězí lůj, drůbeţí a vepřové sádlo, rybí tuk) a metanol. Dále lze jako surovinu pouţít i upotřebené fritovací oleje a tuky. V současné době je 80 % světové roční produkce bionafty realizováno na bázi řepkového oleje. Na 1 t metylesterů řepkového oleje je potřeba okolo 2,5 t řepky. (Šebor et al., 2006) Řepka olejná (obr. 2.2) je stará kulturní rostlina. Pěstuje se jako olejnina pro semena obsahující 44 - 47 % oleje vysoké kalorické hodnoty. Olej se pouţívá k potravinářským i technickým účelům. Pokrutiny se vyuţívají jako krmivo pro hospodářská zvířata.

Obr. 2.2 Květ řepky olejky. Zdroj: Preol

2.2.1.2 Bioetanol

Podle Šebora et al. (2006) surovinou pro výrobu bioetanolu je vhodná jakákoliv biomasa, která obsahuje dostatečné mnoţství cukru (cukrová řepa, cukrová třtina) nebo látek, které lze na cukr převést, jako jsou škrob nebo celulóza. Pokud se týká škrobnatých surovin, patří k nim rostliny jak poskytující hlízy (brambory), tak zrno (pšenice, kukuřice, ječmen, tritikale - kříţenec ţita a pšenice). Dalšími surovinami pro výrobu bioetanolu jsou polysacharid inulin, který obsahují hlízy topinamburů a čekanky (štěpení inulinu je snadnější neţ štěpení škrobu). Intenzivní pozornost je ve světě věnována vyuţití biomasy a trav jako surovin pro výrobu bioetanolu. Tato biomasa, která je povaţována za perspektivní surovinu, je tvořena celulózou, která můţe být převedena na jednoduché cukry, i kdyţ podstatně obtíţněji neţ je tomu v případě škrobu. Průměrný hektarový výtěţek bioetanolu se pohybuje v rozmezí 21 - 56 hl v závislosti na typu suroviny, v případě obilných zrn je to asi

| 13

28 hl. Vyjádřeno jiným způsobem lze říci, ţe na výrobu 1 t etanolu je potřeba asi 3 t zrn, resp. 2 - 4 t suché dřevní nebo travní suroviny.

2.2.2 Biopaliva druhé generace

Biopaliva druhé generace se vyrábějí z organických sloţek komunálního odpadu, ze slámy a jiných zemědělských odpadů, odpadního dřeva nebo starého papíru. Vyţadují sice náročnější výrobní technologii, ale nezatěţují tolik ţivotní prostředí získáváním vstupních surovin. V současnosti jsou ale biopaliva druhé generace pro komerční vyuţití zatím ještě příliš drahá. (Srdecný et al., 2009; Šebor et al., 2006) Na českém trhu se zatím nevyuţívají, ale v Evropě je jiţ v provozu několik zařízení, které tato biopaliva vyrábí. Za všechny je jmenována firma Choren v německém Freiburgu, která vyrábí syntetickou naftu pod názvem sun - diesel. Evropská unie počítá s jejich výraznějším uplatněním na trhu aţ po roce 2015. (Srdecný et al., 2009; Sladký, 2010)

2.2.3 Bioplyn

Termín bioplyn je v současné technické praxi pouţíván pro plynný produkt anaerobní metanové fermentace organických látek, tj. rozkladu bez přístupu vzduchu. Okruh surovin pro výrobu bioplynu je poměrně široký. Významnou surovinu pro výrobu bioplynu představuje zbytková biomasa, která vzniká nejvíce v zemědělství. Jedná se především o odpady z ţivočišné výroby (exkrementy z chovů hospodářských zvířat) a zbytky rostlin. Dále jde o zbytky z rostlinné výroby, pro které není další uplatnění, případně o cíleně pěstovanou nepotravinářskou produkci. Důleţitým zdrojem biomasy jsou také odpady z údrţby zeleně a kaly z čistíren odpadních vod. Dalším významným zdrojem zbytkové biomasy je komunální sféra. Biologický rozloţitelný odpad tvoří asi 40 % ní hmotnostní podíl komunálního odpadu. Odpady vhodné pro zpracování anaerobní fermentací vznikají rovněţ v průmyslu, zejména potravinářském. V neposlední řadě je významným zdrojem odpadní biomasy lesnictví. Odpady z těţby a zpracování dřeva s vysokým obsahem lignocelulózy a sušiny pro výrobu etanolu a syntézního plynu pro Fischer – Tropschovu syntézu BTL - Biomass to Liquids / GTL - Gas to Liquids technologie. (Šebor et al., 2006)

| 14

2.3

Technologické postupy získávání biopaliva, jejich složení a fyzikální vlastnosti

Za biopaliva se povaţují kapalné nebo plynné pohonné hmoty vyráběné z biomasy: bionafta, bioetanol, bioplyn, biometanol, biodimetyléter, bio - ETBE (etyl-terc-butyl-éter), bio - MTBE (metyl-terc-butyl-éter), biovodík, rostlinné oleje a syntetická paliva, jejichţ sloţky byly vyrobeny z biomasy. Pro vznětové (naftové motory), u nichţ dochází ke vznícení paliva vstřikovaného do válců motoru, se mohou uplatnit bionafty, směsné motorové nafty (směsi motorové nafty s bionaftou, případně s rostlinným olejem), výjimečně i čisté rostlinné oleje a bioetanol. Pro záţehové (benzínové) motory, u kterých se palivová směs ve válci zapaluje zapalovací svíčkou, jsou pouţitelnými biopalivy bioetanol, bioplyn, biometanol, biodimetyléter, bio - ETBE, bio - MTBE, biovodík a syntetická paliva. (Vlk, 2006; Laurin, 2008)

2.3.1 Kapalná biopaliva

Kapalná biopaliva první generace lze rozdělit na tři druhy: bionaftu, rostlinné oleje a bioetanol. Dále jsou tyto výrobní technologie stručně popsány.

2.3.1.1 Bionafta

Podle Srdecného et al. (2009) jde o dosud nejrozšířenější biopalivo první generace. Vyrábí se z oleje, nejčastěji řepkového. Působením katalyzátoru a vysoké teploty se řepkový olej mění na metylester řepkového oleje (MEŘO), který se nazývá „bionafta první generace“. V současnosti se MEŘO mísí s lehkými ropnými produkty, a tak vzniká „bionafta druhé generace“, která musí obsahovat alespoň 30 % MEŘO. Výroba bionafty patří k zavedeným technologiím a předpokládá se, ţe jiţ nedozná podstatných změn. Celý výrobní proces se skládá z lisování oleje, filtrování a následné chemické reakce oleje, metanolu a katalyzátoru na metylester a glycerin (esterifikace). Pro získání čistého rostlinného oleje se pouţívá postup běţně pouţívaný při výrobě rostlinných olejů v potravinářském průmyslu. Extrakcí, lisováním za studena nebo kombinací obou způsobů se získá rostlinný olej a následnou destilací se oddělí rozpouštědlo, které se recykluje. Jednoduché blokové schéma výroby bionafty je znázorněno na obr. 2.3.

| 15

Obr. 2.3 Blokové schéma výroby bionafty transesterifikací rostlinných olejů. Zdroj: (Šebor et al., 2006)

V prvním kroku přeměny rostlinného oleje do formy metylesterů mastných kyselin se v metanolu nejprve rozpustí pouţitý katalyzátor, kterým je obvykle hydroxid draselný nebo sodný, a směs obou látek je společně s rostlinným olejem dávkována do uzavřeného reaktoru na transesterifikaci. U suroviny je třeba kontrolovat obsah vody a volných mastných kyselin. Jejich větší mnoţství je příčinou tvorby mýdel. Reakční teplota se obvykle pohybuje v rozmezí 50 – 80 °C a reakční doba je od 1 do 8 hodin. Po transesterifikaci následuje oddělení glycerolu od metylestrerů. Protoţe jak bionafta, tak glycerol obsahují metanol, je dalším krokem jeho oddestilování. Obě oddělené fáze je nutno před oddestilováním metanolu nejprve zneutralizovat přídavkem minerální kyseliny. Kyselina tak neutralizuje přítomný katalyzátor a rozštěpí vzniklá mýdla. Oddělený metanol je recyklován. Na 1 t bionafty vzniká asi 100 kg glycerolu. Bionaftu je po odstranění metanolu ještě třeba důkladně promýt teplou vodou a odstranit tak zbytky katalyzátoru, mýdel a nakonec zbavit vody. (Šebor et al., 2006; Vlk, 2006) V České republice je vybudováno 17 jednotek na výrobu FAME, které zpracovávají převáţně řepkový olej na MEŘO. Významnými producenty podle roční | 16

výrobní kapacity jsou zpracovatelské závody – PREOL, a.s., Lovosice (100 tis. t/r MEŘO), AGROPODNIK, a. s., Jihlava (68 tis. t/r MEŘO) a PRIMAGRA, a. s., Milín (35 tis. t/r MEŘO). Výrobní jednotka společnosti PREOL, a. s. je popsána v kap. 3. Na stávajících výrobnách MEŘO lze vyrábět také EEŘO, tj. etylestery řepkového oleje náhradou metanolu při transesterifikaci triglyceridů bioetanolem. Z vlastností metylesteru řepkového oleje a klasické motorové nafty, které jsou pro ilustraci uvedeny v tab. 2.1, vyplývá, ţe základní charakteristiky jsou velmi podobné. Vysoké cetanové číslo MEŘO dokládá, ţe MEŘO se dobře vzněcuje, jeho stechiometrické spalování vyţaduje méně vzduchu, nevýhodou je při jeho spalování vznikající specifický zápach. MEŘO má větší viskozitu, rovněţ jeho hustota je v porovnání s naftou o něco větší, coţ částečně kompenzuje jeho menší výhřevnost vztaţená na jednotku objemu, která souvisí s velkým obsahem kyslíku. Nevýhodou menšího energetického obsahu vztaţené na jednotku objemu je větší spotřeba MEŘO v porovnání s motorovou naftou. MEŘO má dále vyšší bod vzplanutí, který je důleţitý z hlediska bezpečného zacházení s palivem. MEŘO proto vyţaduje ohřev na vyšší teplotu neţ klasická nafta pro vznik plynné směsi se vzduchem před jejím vznícením ve válci. Výhodou MEŘO je skutečnost, ţe má dobré mazací vlastnosti. Z ekologického hlediska je další výhodou její velmi dobrá biologická odbouratelnost, na druhou stranu to však znamená, ţe bionafta je méně stabilní, coţ je její nevýhoda při skladování. (Šebor et al., 2006)

Tab. 2.1 Porovnání některých vlastností MEŘO a klasické motorové nafty Bionafta (FAME) Motorová nafta

Vlastnosti paliva Rel. molekulová hmotnost [g/mol]

~ 300

170 - 200

Cetanové číslo

~ 54

51

Hustota při 15 °C [g/cm ]

0,88

0,84

Výhřevnost [MJ/kg]

37,3

42,7

Výhřevnost [MJ/l]

32,0

35,7

Stechiometrický poměr vzduch/palivo [hm.]

12,3

14,53

9 – 11

< 0,6

7,4

4,0

91 - 135

77

3

Obsah kyslíku [% hm.] Kinematická viskozita při 20 °C [mm /s] 2

Bod vzplanutí [°C]

Zdroj: (Šebor et al., 2006)

Podle Matějovského (2005) produkty z dnešních moderních technologií kvalitou odpovídající poţadavkům ČSN EN 14 214, jsou téměř zcela zbaveny zbytků metanolu, glycerinu, glyceridů, volných kyselin, zbytků alkalických katalyzátorů a dokonce i fosforu obsaţeného v řepkovém oleji.

| 17

Bionafta je významně bezpečnější neţ klasická motorová nafta. Pro skladování a distribuci nafty je moţné vyuţít stejnou technologii jako pro klasickou motorovou naftu. Palivo je nutné skladovat v suchém a čistém prostředí bez přístupu světla, v ocelových či hliníkových skladovacích nádrţích, případně nádrţích vyrobených z organických polymerních materiálů (polyetylen, polypropylen). V případě čisté bionafty bez přídavku antioxidačních a biocidních aditiv by uskladnění nemělo přesáhnout dobu 3 – 6 měsíců. Vlivem působení mikroorganismů můţe číslo kyselosti při dlouhodobém skladování překročit maximální přípustnou mez. Vlivem nízké oxidační a skladovací stability přicházejí v úvahu pouze dvě varianty distribuce směsných paliv s obsahem bionafty, a to doprava vyrobeného paliva přímo z terminálu výrobce do maloobchodní sítě anebo doprava obou sloţek paliva, FAME i motorové nafty, odděleně do skladovacích prostor distribuční společnosti, kde je palivo z obou sloţek namícháno a následně expedováno. (Šebor et al., 2006) Existuje uţ i biopalivo druhé generace, označované jako sun-diesel (syntetická nafta). Vyrábí se z komunálního odpadu a jiných odpadů (zemědělské a potravinářské odpady, plasty, dřevo a další) Fischer – Tropschovou (FT) syntézou. Je zaloţena na nízkoteplotní pyrolýze, kdy se oxid uhelnatý a vodík, pod velkým tlakem a za teploty 350 °C přeměňuje na různé kapalné uhlovodíky. Výsledný produkt se více podobá ropné naftě neţ bionaftě. Výhodou tohoto procesu je, ţe se současně likviduje komunální a jiný odpad. Zbytky z procesu tvoří 5 aţ 10 % hmotnostní vstupní suroviny. Blokové schéma výroby kapalných paliv z biomasy FT syntézou je uvedeno na obr. 2.4. (Srdecný et al., 2009; Šebor et al., 2006)

Obr. 2.4 Blokové schéma výroby kapalných paliv z biomasy FT syntézou. Zdroj: (Šebor et al., 2006)

2.3.1.2 Rostlinné oleje

Rostlinné oleje lze spalovat v upravených dieselových motorech přímo. Oproti výrobě bionafty tak odpadá proces esterifikace. Zásadní nevýhodou je, ţe motor je třeba pro spalování oleje upravit. Úprava spočívá především v doplnění tepelného výměníku, kde se olej zahřeje na 80 aţ 90 °C, aby tak klesla jeho viskozita a olej mohl vstoupit do vstřikovacího čerpadla motoru. Schéma motoru s provozem na rostlinný olej a naftu je znázorněn na obr. 2.5. Studený olej má totiţ při nízkých | 18

teplotách vysokou viskozitu, takţe ho vstřikovací zařízení motoru nedokáţe zpracovat. Upravené automobily nebo traktory startují na ropnou naftu, a teprve po zahřátí motoru se přepne na provoz s olejem. Před ukončením jízdy je nutno opět přepnout na naftu, aby olej nezůstal v palivovém systému. Existují systémy, kde se nafta nepouţívá vůbec a olej je ohříván elektronicky. U některých motorů se doporučuje míchat olej s naftou nebo bionaftou, aby se sníţila viskozita. (Vlk, 2006; Laurin, 2008; Srdecný et al., 2009) Rostlinné oleje mají v porovnání s motorovou naftou vysokou viskozitu, vysokou teplotu splanutí, vysokou teplotu tání, nízké cetanové číslo, vyšší měrnou hmotnost, niţší výhřevnost, malou oxidační stabilitu a snadno polymerují. Obsahují přibliţně 11 % kyslíku (Laurin, 2008). Významnější vlastnosti řepkového oleje a motorové nafty jsou uvedeny v tab. 2.2.

Tab. 2.2 Vybrané vlastnosti motorové nafty a řepkového oleje Motorová nafta

Řepkový olej

0,84

0,92

42,5

36

Kinematická viskozita při 40 °C [mm /s]

3,0

35

Bod vzplanutí [°C]

>55

246

Cetanové číslo

51

38

Vlastnosti paliva Hustota při 15 °C [g/cm3] Výhřevnost [MJ/kg] 2

Zdroj: (Vlk, 2006; Laurin, 2008)

Obr. 2.5 Schéma motoru s provozem na rostlinný olej a naftu. Zdroj: (Laurin, 2008)

| 19

2.3.1.3 Bioetanol (biolíh)

Podle Srdecného et al. (2009) lze biolíh pouţít jako palivo pro benzínové motory. U biopaliv první generace se pro výrobu pouţívá obilí, brambory, cukrová řepa, kukuřice a další. Čím více sacharidů nebo škrobu rostlina obsahuje, tím je výnos etanolu vyšší. Etanol je látka, která se v přírodě vyskytuje jen sporadicky. Kvasný neboli fermentační způsob výroby bioetanolu z biomasy je zaloţen na působení enzymů mikrobní buňky (většinou buněk některých kvasinek) v procesu, kterému se říká lihové kvašení. Jde o proces, který probíhá převáţně bez přístupu vzduchu. Enzymové vybavení mikroorganismů určuje tzv. zkvasitelnost sacharidů. Přímo zkvasitelné jsou jen monosacharidy. Sloţitější sacharidy (oligosacharidy aţ polysacharidy) musí být před zkvašením hydrolyzovány na monosacharidy. Kvašení, při kterém jsou zkvasitelné sacharidy přeměňovány na bioetanol a oxid uhličitý, lze popsat rovnicí:

𝐶2 𝐻12 𝑂6 → 2𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 Při fermentaci je zapotřebí udrţovat pH 4 - 6 a vhodnou teplotu 27 - 32 °C. Po určité době 24 - 36 hodin dojde vlivem působení vznikajícího etanolu na kvasinky k postupnému zastavení fermentace. Tím je dána hraniční koncentrace vzniklého etanolu 12 - 13 %. Po fermentaci následuje destilace. Ta má za úkol oddělit surový bioetanol od prokvašené zápary, při které se jako vedlejší produkt získává destilační zbytek - obilné výpalky (hodnotné krmivo). Při rafinaci je zapotřebí odstranit další vedlejší produkty, kterými jsou např. organické kyseliny, glycerol, vyšší alkoholy, estery atd. Následným procesem dehydratace je zajištěno odvodnění bioetanolu. Popsaný obecný způsob fermentace prováděný za účelem výroby etanolu platí pro všechny technologické postupy vyuţívající různé surovinové zdroje. Tyto postupy se liší pouze ve způsobu přípravy zápary a případně ve zpracování produktů kvasného procesu. (Šebor et al., 2006) V podmínkách České republiky je v současnosti moţné realizovat dva základní technologické postupy výroby bioetanolu vhodného pro pohon motorových vozidel, a to z obilovin a z cukrové řepy. Vzdálenější budoucnost zatím představuje výroba etanolu z lignocelulósové hmoty. Jednoduché blokové schéma výroby bioetanolu z obilovin je uvedeno na obr. 2.6. (Šebor et al., 2006)

| 20

Obr. 2.6 Blokové schéma výroby bioetanolu z obilovin. Zdroj: (Šebor et al., 2006)

Etanol vyrobený fermentací z biomasy je moţné pouţít buď jako palivo pro speciálně konstruované motory, nebo jako přísadu do benzinu do 5 %, nebo do 15 % bio - ETBE. ETBE, které vzniká reakcí etanolu s nenasyceným plynným uhlovodíkem isobutanem, se ve světě stalo důleţitou přísadou do bezolovnatých benzínů (Vlk, 2006; Čappo, 2011; Šebor et al., 2006). Základní fyzikálně - chemické vlastnosti bioetanolu a z něho odvozeného ETBE jsou pro srovnání s benzinem uvedeny v tab. 2.3. Etanol má oproti benzinu vyšší oktanové číslo, coţ znamená, ţe je vhodný pro spalování v záţehových motorech. Naproti tomu není tolik vhodný pro motory vznětové, kde je nevýhodou jeho nízké cetanové číslo způsobující malou vznětlivost paliva. Zvýšení cetanového čísla je moţné aditivy. Avšak pro dosaţení cetanového čísla 50 je nutno přidávat aditiva v mnoţství, které se pohybuje v řádu procent. Dále mají vozidla v důsledku niţší výhřevnosti vyšší spotřebu, ale vyšší obsah kyslíku v etanolu znamená menší spotřebu vzduchu. Stechiometrický poměr směsi etylalkoholu a vzduchu je 9,0 : 1. Tlak par podle Reida, který je mírou těkavosti, je u čistého paliva velmi nízký. Avšak velkým problémem je chování směsi etanolu s benzinem, kdy je směs méně stabilní (vyšší tlak nenasycených par). Největším problémem etanolu je jeho rozpustnost ve vodě. Poţadavky na vlastnosti etanolu jako sloţky automobilového benzinu jsou specifikovány v jakostní normě ČSN EN 15 376.

| 21

Tab. 2.3 Vybrané vlastnosti etanolu, ETBE a klasického automobilového benzinu Etanol

ETBE

Benzin

46

102

111

109/92

118/105

96/85

11

-

8

Tlak par podle Reida [kPa]

16,5

28,0

75,0

Hustota 15 °C [g/cm ]

0,80

0,74

0,75

Výhřevnost [MJ/kg]

26,4

36,0

41,3

Výhřevnost [MJ/l]

21,2

26,7

31,0

Stechiometrický poměr vzduch/palivo [hm.]

9,0

-

14,7

Bod varu [°C]

78

72

30-190

Vlastnosti paliva Rel. molekulová hmotnost [g/mol] Oktanové číslo RON/MON Cetanové číslo 3

Zdroj: (Šebor et al, 2006)

Výhodou ETBE je ve srovnání s etanolem jeho větší výhřevnost, menší tlak par a vyšší oktanové číslo. Ve srovnání s alkoholy se s benzinem také lépe mísí. Vzniklá směs je stabilní. (Vlk, 2006; Šebor et al., 2006; ČSN EN 15 376) V případě bioetanolu a motorových paliv tuto sloţku obsahujících je situace týkající se dopravy, skladování a distribuce ještě komplikovanější neţ v případě bionafty. Ve skladovacích ani přepravních systémech nesmí být přítomna ţádná voda. Voda způsobuje rozdělení směsi etanolu a benzinu na dvě sloţky. Etanol dále přechází do vodné fáze. To má za následek zhoršení kvality paliva. Distribuce paliva probíhá tedy dvěma způsoby. Palivo se dopraví přímo z terminálu výrobce do maloobchodní sítě. Nebo si distribuční společnosti dopraví obě sloţky, bioetanol i benzin, odděleně a ta pak palivo namíchá. Bioetanol a benzin mají odlišné vlastnosti, a tak benzin dodávaný distribuční společností musí mít zvláštní specifikaci, aby po smíchání obou sloţek splňovalo vyrobené palivo poţadavky normy. Z technického hlediska je vhodnější variantou vyuţití bio - ETBE, jak po stránce skladovací, tak i z hlediska dopravy. (Šebor et al., 2006)

Biolíh druhé generace se získává z odpadů obsahujících celulózu. To můţe být sláma, dřevní odpad a starý papír. Rozklad celulózy na cukr a vodu je sloţitější, vyţaduje náročnější technologii. (Srdecný et al., 2009)

| 22

2.3.1.4 Potenciální vliv na životní prostředí

Podle Srdecného et al. (2009) jsou emise motorů spalujících biopaliva srovnatelné s emisemi při provozu na ropné produkty. Pouţíváním bionafty se ale sniţuje kouřivost motoru. Případný únik biopaliv je méně rizikový, protoţe jsou biologicky výrazně lépe rozloţitelná. Biopaliva první generace vyţadují plodiny pěstované na zemědělské půdě. V Evropě, kde je potravin přebytek, je pěstování řepky a jiných plodin pro výrobu biopaliv pro mnoho zemědělců vítanou alternativou. Pokud jsou dodrţovány osevní postupy, nemělo by docházet ani ke sniţování kvality půdy. Jistým negativem je spotřeba energie a hnojiv na pěstování a výrobu biopaliv. Nejméně náročná je výroba rostlinných olejů. Nejnáročnějším palivem je biolíh, jehoţ destilace spotřebuje mnoho energie. Uvádí se, ţe na výrobu jedné kWh v bioetanolu se spotřebuje 0,7 aţ 3,4 kWh vstupní energie. Z těchto důvodů se v Evropské unii definovala kritéria pro trvale udrţitelná biopaliva. Vyţaduje se, aby pouţitím biopaliv došlo ke sníţení produkce CO2 nejméně o 35 % (od roku 2018 to bude 60 %). Biopaliva nesmějí být pěstována na zemědělské ploše, která by způsobila zánik území, nebo zánik mokřadů. Většinu těchto problémů by měla vyřešit biopaliva druhé generace, která se vyrábí z odpadních surovin. Takovéto energetické vyuţití odpadů pomůţe i řešit problém s likvidací odpadů.

2.3.2 Bioplyn

Bioplyn a bioplynové systémy představují energetické zdroje s pozitivními přínosy pro ochranu ţivotního prostředí. Termín bioplyn je v současné technické praxi pouţíván pro plynný produkt anaerobní metanové fermentace organických látek, tj. rozkladu bez přístupu vzduchu. Název bioplyn je pak obecně míněna plynná směs metanu a oxidu uhličitého, která v menší míře obsahuje ještě některé další minoritní sloţky organického či anorganického charakteru (Šebor et al., 2006). Současné bioplynové stanice zpracovávají kejdu a další zemědělské a potravinářské odpady. Můţeme se setkat i se stanicemi, které zpracovávají kukuřici a jiné cílené pěstované plodiny. Vyuţít lze i bioodpad vyseparovaný z komunálního odpadu. Zpracování odpadu je dnes důleţitým, ale nikoli primárním účelem bioplynové stanice, na rozdíl od bioplynových technologií v čističkách odpadních vod. (Srdecný et al., 2009)

2.3.2.1 Výroba bioplynu

Základní princip technologie výroby je poměrně jednoduchý, pokud se organická hmota rozkládá bez přístupu vzduchu, vzniká plyn s vysokým obsahem | 23

metanu, který je dobře hořlavý (Srdecný et al., 2009). Bioplyn se získává metanogením kvašením organických látek neboli metanovou fermentací. Metanovou fermentaci je třeba chápat jako soubor na sebe navazujících procesů, které probíhají za nepřístupu vzduchu tj. anaerobně, a kde rozklad organických látek probíhá působením mikroorganismů. Metan je v bioplynu zastoupen v poměrně širokém rozmezí 55 - 75 %. Podíl 25 - 45 % připadá na oxid uhličitý a 1 - 3 % na další plyny (vodík, dusík, sirovodík). Tyto hodnoty se liší v závislosti na sloţení reagujícího substrátu a na způsobu výroby. Způsoby výroby bioplynu lze rozdělit na mokré a tzv. „suché“. V prvním případě se bioplyn vyrábí fermentací zbytkové biomasy za přítomnosti vody v bioreaktorech (fermentorech), resp. ve vyhnívacích nádrţích čistíren odpadních vod. Druhý „suchý“ způsob představuje produkce bioplynu ve skládce tuhých odpadů. Aby však bioplyn u tohoto způsobu výroby mohl vznikat, musí tyto skládky obsahovat biologicky rozloţitelné komponenty. Nevýhodou je proměnlivé sloţení skládkových plynů, kdy navíc v tomto sloţení můţe být obsah metanu velice nízký. Kvalitní skládkový plyn se však také můţe svým sloţením velmi podobat sloţení reaktorových plynů. V prvním případě, kdy bioplyn vzniká anaerobní fermentací v reaktoru, musí surovina pro fermentaci obsahovat dostatečné mnoţství biologicky rozloţitelných látek a vodu obvykle v mnoţství 60 % hm., případně i více. Rozklad organických látek aţ na bioplyn vyţaduje koordinovanou metabolickou součinnost anaerobních mikroorganismů. Dále je třeba zajistit vhodné fyziologické podmínky pro jejich činnost – anaerobní prostředí, sloţení substrátu a jeho pH (6,5 - 7,5), fermentační teplota (35 - 42 °C), míchaní, ţiviny. Pevné zbytky z výroby bioplynu jsou zbaveny pachových látek a pouţívají se jako hnojivo. (Šebor et al., 2006; Vlk, 2006) Vyrobený bioplyn je nutno skladovat v plynojemu, protoţe produkce není vţdy rovnoměrná (Srdecný et al., 2009). Podle Šebora et al. (2006) lze obecně bioplyn vyuţít všude tam, kde se uplatňuje zemní plyn. Před vlastním pouţitím je obvykle vyrobený surový bioplyn potřeba vyčistit, tj. zbavit neţádoucích sloţek, především vody, CO2, H2S, kyslíku, dusíku, vyšších uhlovodíků, halogenderivátů uhlovodíků a křemíku resp. organokřemičitých sloučenin. Poţadavky na úpravu bioplynu jsou samozřejmě dány způsobem jeho pouţití. Pokud by měl být pouţit jako pohonná hmota pro motorová vozidla, je nutné jej vyčistit na kvalitu zemního plynu (obsah metanu nad 95 %, výhřevnost srovnatelná) a po kompresi jej pak lze přidávat do distribuční sítě zemního plynu, resp. přímo plnit do vozidel. Toto čištění bioplynu je však nákladné a společně s náklady na kompresi významně zvyšuje jeho celkové výrobní náklady a tedy i jeho prodejní cenu. Většina vyrobeného bioplynu je však vyuţita pro jednodušší výrobu elektrické energie a tepla v kogeneračních jednotkách. Pro pohon motorových vozidel v přímé konkurenci s levným zemním plynem můţe najít uplatnění pouze velmi malá část produkce bioplynu. Technologii bioplynové stanice je třeba navrhnout jiţ od začátku s ohledem na suroviny, které se budou zpracovávat. Například přimíchání většího mnoţství trávy a odpadní zeleně do kejdy proces fermentace zpomalí. Zařízení tedy buď | 24

zpracuje méně hmoty, nebo se proces fermentace nenechá doběhnout do konce a výtěţnost bioplynu je menší. Schéma bioplynové stanice je prezentováno na obr. 2.7.

Obr. 2.7 Schéma bioplynové stanice, kontinuální systém. Zdroj: (Srdecný et al., 2009)

Popis zařízení: 1 - odvod bioplynu, 2 - přepad kalu, 3 - zásobník odplyněné kejdy, 4 - nová sběrná nádrţ, 5 - kalové čerpadlo, 6 - plynojem, 7 - vodní uzávěr, 8 - připojení ke stávajícímu dálkovému vytápění, 9 - teplo z kogenerační jednotky, 10 - kogenerační jednotka, 11 - dmychadlo, 12 - elektřina z kogenerační jednotky

Bioplyn se spaluje v kogenerační jednotce, která sestává ze spalovacího motoru a generátoru elektřiny. Asi polovina energie obsaţené v bioplynu se přemění na teplo, které se vyuţívá především pro vyhřívání fermentoru, přebytečné teplo se pak vyuţívá pro vytápění provozních budov. Účinnost výroby elektřiny z bioplynu je 30 aţ 40 %. (Srdecný et al., 2009) Některé základní fyzikálně – chemické vlastnosti surového (nečistého) bioplynu, významné z hlediska spalovacího procesu jsou uvedeny v tab. 2.4. V současnosti nejsou kvalitativní parametry nečistého bioplynu vzhledem k jeho značně proměnlivému sloţení a kvalitě ošetřeny ţádnou technickou normou či předpisem. Kvalita bioplynu, jako alternativního paliva pro motorová vozidla, musí však v principu odpovídat kvalitě zemního plynu v běţné distribuční síti, do které je bioplyn po vyčištění přiváděn. Z toho důvodu proto není nezbytné nutně vytvářet speciální technické normy pro kvalitu bioplynu (Šebor et al., 2006). Výhodou bioplynu při jeho pouţití v dopravě jsou niţší emise oproti benzinu a asi 30 % úspora nákladů na palivo. Nevýhodou je nestabilní produkce a dostupnost (Vlk, 2006).

| 25

Tab. 2.4 Vybrané fyzikálně – chemické vlastnosti bioplynu Druh bioplynu Skládkový plyn

Parametr

(Dolní Chabry)

Bioplyn

Bioplyn z ČOV

(60%CH4,38%CO2 2% ost.)

Hustota [kg/Nm3] 1)

1,18

1,12

1,21

Spalné teplo [MJ/Nm3]

24,7

26,6

Výhřevnost

22,2

23,9

21,5

5,90

6,27

5,71

2)

3

[MJ/Nm ]

Teor. spotřeba pro spalování [m3vzduchu/m3bioplynu] vzduch 3

3

1) Nm tzn. normativní m 2) Výhřevnost skládkového plynu se můţe pohybovat v intervalu 18–22 MJ/m 3, výhřevnost fermentačně vyrobeného bioplynu se můţe pohybovat v intervalu 20–24 MJ/m3. Zdroj: (Šebor et al., 2006)

Bioplyn po vyčištění na kvalitu odpovídající kvalitě zemního plynu můţe být distribuován obvyklým způsobem jako zemní plyn. Surový (nevyčištěný) bioplyn musí být bezpodmínečně přepravován v separátních potrubních systémech či tlakových nádobách. (Šebor et al., 2006)

2.3.2.2 Potencionální vliv na životní prostředí

Podle Srdecného et al. (2009) se během několika posledních let v České republice vyskytly i bioplynové stanice, z nichţ některé obtěţovaly okolí zápachem. To způsobilo, ţe záměr výstavby nové bioplynové stanice téměř vţdy vyvolá obavy a odpor místních obyvatel. Problémům se zápachem lze předejít správným návrhem bioplynové stanice. Při povolování stavby lze stanovit poţadavky a omezení, např. ochranné pásmo. Při provozu je pak nutné dbát zejména na dodrţování technologických postupů a provozních předpisů. Bioplynové technologie se hodí především k likvidaci odpadů. Přeměna exkrementů na hnojivo je bez bioplynové technologie o dost pomalejší. Důleţité však je, ţe při rozkladu biomasy vzniká metan, který významně zesiluje skleníkový efekt. Při samovolném rozkladu (např. hnůj v hromadě na poli) uniká metan volně do ovzduší. Naproti tomu v bioplynové stanici je metan zachycen a následně spálen, tedy přeměněn na vodu a CO2, který ve srovnání s metanem není tak silný skleníkový plyn. Likvidace zemědělských odpadů v bioplynových stanicích sniţuje riziko splachu močůvky z otevřených hnojišť do potoků a řek. Bioplynové technologie umoţňují vyuţít energii odpadů, které obsahují příliš mnoho vody, neţ aby se daly jednoduše spálit. Umoţňují i neutralizovat jinak rizikové potravinářské odpady. V České republice i v Evropě | 26

je pro zemědělce pěstování biomasy pro bioplynovou stanici zajímavou alternativou k produkci potravin.

3.

Technologie na výrobu FAME – společnost PREOL, a. s., Lovosice

Společnost Preol, a. s., (dceřiná firma holdingu Agrofert) je zaměřena na aktivity spojené s rozvojem pouţívání biopaliv v České republice. Jednotka na výrobu FAME (metylesteru řepkového oleje) o kapacitě 100 kt za rok byla uvedena do trvalého provozu v roce 2010. Součástí technologie je získávání oleje z rostlinných semen, zpracování surového glycerinu na farmaceutický glycerin a výroba mastných kyselin. Technologická jednotka se skládá z následujících zařízení: Skladování surovin, pomocných materiálů a výrobků Skladování potřebných surovin, pomocných látek a výrobků je v zabezpečených nádrţích, silech, kontejnerech. Součástí skladování jsou vytvořené podmínky pro stáčení a plnění autocisteren, stáčení a plnění ţelezničních cisteren, vykládání řepkového semene (z vagónů a nákladních aut) a nakládání šrotů (na ţelezniční vagóny a nákladní auta). Zařízení pro zpracování olejnatých semen (lisovna, extrakce, neutralizace) Zařízení vyuţívající systém předlis – extrakce pro získání základní vstupní suroviny pro výrobu metylesteru. Projektovaná kapacita zpracování semen je 400 kt/rok. Při extrakci olejnatých semen se pouţívá systém předlisování – extrakce, kdy se vstupní semena upravují vločkováním a tepelnou kondicionací, lisují se na obsah oleje cca 18 – 20 % a následně extrahují hexanem. Rozpouštědlo se z oleje odstraní destilací a vrací zpět do procesu. Šroty z extrakce se zbavují rozpouštědla a chladí. Získaný olej se filtruje. Šroty obsahují 1 – 2 % oleje, coţ odpovídá výtěţnosti cca 98 %. Pro výrobu MEŘO je poţadováno, aby řepkový olej obsahoval minimální mnoţství volných mastných kyselin a obsah fosfolipidů byl pod 10 ppm. Sníţení obsahu fosfatidů se provádí tzv. odslizením neboli degummingem, kdy se na olej působí kyselinou fosforečnou a následně louhem sodným. Vysráţené fosfatidy se odstraní odstředěním. Sníţení kyselosti oleje, tj. odstranění volných mastných kyselin se provádí chemicky, tj. neutralizací roztokem louhu sodného. Zařízení pro výrobu metylesteru mastných kyselin z rostlinného oleje Surový rostlinný olej reaguje s metanolem za přítomnosti katalyzátoru při mírné teplotě (65 °C) a atmosférickém nebo zvýšeném tlaku. Chemickou reakcí (esterifikací) vzniká jako hlavní produkt metylester mastných kyselin a glycerinová fáze. Z glycerinové fáze vznikají po oddestilování metanolu a rozštěpení kyselinou vedlejší produkty – surový glycerin a mastné kyseliny.

| 27

Zařízení pro výrobu destilovaného glycerinu Zařízení pro úpravu produktu z reesterifikace – surového glycerinu na farma kvalitu pro další vyuţití. Rektifikace spočívá v destilaci surového glycerinu v náplňové koloně za podtlaku. Dochází k odstranění jak výše vroucích, tak níţe vroucích nečistot, jakoţ i anorganických solí. Zdroj: MŢP ČR (cit. Preol)

4.

Certifikace udržitelnosti biopaliv

Od ledna roku 2012 je moţné v České republice uvádět na trh jen certifikovaná biopaliva, u kterých byly, kromě uţitných vlastností, prokázány i naprosto pozitivní vlivy na ţivotní prostředí. Kritéria udrţitelnosti biopaliv jsou součástí novely zákona o ochraně ovzduší. Cílem kritérií udrţitelnosti biopaliv je dosáhnout stanovených cílů úspor emisí skleníkových plynů a současně zajistit, aby jejich výrobou a uţíváním nedocházelo ke zvyšování cen potravin, znečišťování vodních zdrojů, odlesňování, sniţování biodiverzity, vyuţívání dětské práce apod. Kritéria udrţitelnosti biopaliv vycházejí z evropské směrnice, která stanoví, aby při pouţití prodávaného paliva vzniklo o 35 % méně emisí oxidu uhličitého neţ spalováním fosilního paliva, a to včetně toho, ţe se započítají emise uvolněné do ovzduší při jeho výrobě a distribuci. V roce 2017 to bude jiţ 50 % a o rok později dokonce 60 %. Prokázání souladu s kritérii udrţitelnosti se týká prakticky všech článků dodavatelského řetězce biomasy, od výkupen a obchodníků s biomasou, přes olejové mlýny a rafinerie, které zpracovávají biomasu ke konečnému pouţití. Poslední článek v řetězci, kde se provádí poslední krok zpracování, získá doklad o udrţitelnosti biologické pohonné hmoty nebo kapalné biomasy. Zajištění shody s těmito kritérii musí být potvrzeno certifikačním orgánem. Pěstitelé biomasy jsou do procesu certifikace také zapojeni, a to tím způsobem, ţe si sami vystavují tzv. samostatné prohlášení pěstitele biomasy o splnění kritérií udrţitelnosti. V rámci certifikačního procesu je také ověření plnění kritérií udrţitelnosti minimálně u 3 % pěstitelů biomasy. (Zdroj: TÜV SÜD Czech). Zjednodušené schéma certifikace je znázorněno na obr. 4.1.

| 28

*

Obr. 4.1 Řetězec výroby biopaliv (zjednodušené schéma). Zdroj: TÜV SÜD Czech (* osoba povinná zajistit min. mnoţství biopaliv uváděných na trh)

Certifikace udrţitelnosti biopaliv je nástrojem, který můţe významně přispět k tomu, aby biopaliva dosáhla svého přínosu, aniţ by jejich pěstování bylo na úkor zvyšování emisí skleníkových plynů, odlesňování a sniţování biodiverzity či vlivu na ceny potravin. Můţe rovněţ přispět k pozitivnějšímu vnímání biopaliv veřejností. Záleţí však, jaké standardy, resp. jaká kritéria budou nastavena a jak věrohodné metodiky budou v rámci certifikace uplatňovány.

| 29

5.

Cíl práce

Jiţ dnes se vyuţívá alternativních motorových paliv na bázi rostlinných olejů a alkoholů z obnovitelných zdrojů. Ceny ropných výrobků a motorových paliv stále stoupají. Alternativní paliva za těchto okolností mohou být během několika let konkurenceschopná v porovnání a ropnými palivy. Vlastnosti alternativních paliv ze zemědělské produkce jsou velmi podobné v porovnání s ostatními motorovými palivy ropného původu. Ropná paliva mají jiné sloţení. Fyzikální a chemické vlastnosti rostlinných olejů a jejich esterů jsou však velmi podobné motorové naftě a fyzikální a chemické vlastnosti alkoholů a éterů jsou velmi podobné automobilním benzínům. V současné době se pouţívání biopaliv soustředí na spalování MEŘO a jeho případných směsí s motorovou naftou. Vzhledem k tomu, ţe je snaha uvedené palivo pouţívat u spalovacích motorů, které na MEŘO nebyly koncipovány, dochází ke změnám parametrů spalovacího motoru, především výkonu a měrné spotřeby paliva. Základním cílem této práce je porovnat na trhu dostupná biopaliva od různých výrobců na provozní parametry motoru – především výkon a měrnou spotřebu a dále vyhodnotit různé směšovací poměry bio sloţky se základním palivem – motorovou naftou.

| 30

6.

Používání biopaliv v dopravě v České republice

Biopaliva jsou uplatněna jako: bioetanol (kvasný líh obecně nebo zvlášť denaturovaný) a nebo jako bioETBE; metylestery masných kyselin (FAME), převáţně jako metylestery řepkového oleje (MEŘO).

6.1

Bionafta jako palivo pro pohon vznětových motorů

MEŘO se sice chemicky liší od ropných produktů, avšak základní fyzikální charakteristiky se velmi přibliţují. MEŘO se ve srovnání s motorovou naftou vyznačuje vcelku pozitivním vlivem na ţivotní prostředí. MEŘO vykazuje podstatně lepší parametry ve srovnání s motorovou naftou v emisích CO2, SO2 a kouřivosti. Provozní přechod na metylester usnadňuje neomezená mísitelnost s motorovou naftou. MEŘO je letním palivem. K určitým problémům se startováním dochází jiţ při teplotě pod + 5 °C. Pod bodem mrazu vyvstávají problémy s dopravou paliva z nádrţe k motoru (hlavně v palivovém filtru) a při startování studeného motoru. Proto musí být MEŘO přizpůsoben zimnímu provozu přidáním vhodných aditiv. (Vlk, 2006)

6.1.1 Porovnání provozních parametrů motoru s MEŘO a motorovou naftou

Obecná charakteristika MEŘO, jeho sloţení od různých výrobců dle produktových listů:

PREOL, a. s., Lovosice (mezní hodnoty dle ČSN EN 14 214) Obsah esterů mastných kyselin

min. 96,5 % (m/m)*

Obsah esteru kyseliny linolenové

max. 12,0 % (m/m)

Obsah monoglyceridů

max. 0,80 % (m/m)

Obsah diglyceridů

max. 0,20 % (m/m)

Obsah triglyceridů

max. 0,20 % (m/m)

Obsah metanolu

max. 0,20 % (m/m)

Volný glycerin

max. 0,02 % (m/m)

Celkový glycerin

max. 0,25 % (m/m)

* % (m/m) tzn. hmotnostní obsah [% ]

| 31

SETUZA, a. s., Ústí nad Labem (mezní hodnoty dle ČSN EN 14 214) Obsah esterů mastných kyselin

min. 96,5 % (m/m)

Obsah esteru kyseliny linolenové

max. 12,0 % (m/m)

Obsah monoglyceridů

max. 0,80 % (m/m)

Obsah diglyceridů

max. 0,20 % (m/m)

Obsah triglyceridů

max. 0,20 % (m/m)

Obsah metanolu

max. 0,20 % (m/m)

Volný glycerin

max. 0,02 % (m/m)

Celkový glycerin

max. 0,25 % (m/m)

AGROPODNIK, a. s., Jihlava (mezní hodnoty dle ČSN EN 14 214 a rozborový protokol) Obsah esterů mastných kyselin

min. 96,5 % (m/m)

98,00 % (m/m)

Obsah esteru kyseliny linolenové

max. 12,0 % (m/m)

11,00 % (m/m)

Obsah monoglyceridů

max. 0,80 % (m/m)

0,29 % (m/m)

Obsah diglyceridů

max. 0,20 % (m/m)

0,11 % (m/m)

Obsah triglyceridů

max. 0,20 % (m/m)

0,06 % (m/m)

Obsah metanolu

max. 0,20 % (m/m)

0,07 % (m/m)

Volný glycerin

max. 0,02 % (m/m)

0,01 % (m/m)

Celkový glycerin

max. 0,25 % (m/m)

0,12 % (m/m)

Zdroj: AGP Jihlava, rozborový protokol ze dne 12. 1. 2012, číslo vzorku 17 – určen pro experimentální měření (viz kap. 7).

Kvalita vyrobené bionafty (FAME) je ovlivněna především sloţením mastných kyselin, resp. jejich triglyceridů. Pro kvalitu je dále nezbytné, aby transesterifikace triglyceridů proběhla pokud moţno úplně, jinak v reakční směsi zůstávají nezreagované tri-, di- a monoglyceridy. Produkty z dnešních moderních technologií kvalitou odpovídají jakostním poţadavkům ČSN EN 14 214, jsou téměř zcela zbaveny zbytků metanolu, glycerinu, glyceridů, volných kyselin, zbytků alkalických katalyzátorů a dokonce i fosforu obsaţeného v řepkovém oleji. V České republice byl v minulosti k dispozici národní standard pro metylester řepkového oleje (druh MEŘO) ČSN 65 6507, ale zavedením EN 14 214 došlo ke zpřísnění poţadavků na kvalitu tohoto paliva. Zpřísnění se týká zejména čistoty paliva, obsahu kontaminantů a oxidační stálosti. (Šebor et al., 2006)

| 32

Výhřevnost [MJ.kg-1]: MEŘO 37,3 Motorová nafta 42,7 MEŘO – čirá naţloutlá kapalina bez mechanických nečistot a viditelné vody je neomezeně mísitelná s motorovou naftou. Je netoxická, neobsahuje těţké kovy ani ţádné látky škodlivé zdraví (rozhodnutí hlavního hygienika ČR z června 1994). Je agresivní vůči běţným nátěrům a pryţím. Z porovnání MEŘO s motorovou naftou dochází k následujícím změnám: -

pokles výkonových parametrů u MEŘO zhruba o 3 – 5 %;

-

růst měrné spotřeby u MEŘO asi o 6 – 9 %;

-

vyšší mazivost u MEŘO. Ekologické efekty:

-

neobsahuje prakticky síru;

-

aţ o 50 % niţší kouřivost, příznivé sloţení emisí;

-

velmi dobrá biologická odbouratelnost kolem 98 % za 21 dní, podle testu CEC.

Provozní dlouhodobé zkoušky s čistým MEŘO se v České republice konaly od roku 1990 do roku 1996, především ve spolupráci s výrobci traktorů (ZETOR, ZTS). V roce 1996 organizoval dlouhodobou provozní zkoušku s tímto palivem i mladoboleslavský výrobce osobních automobilů ŠKODA (motor 1,9 D). (Zdroj: Raen) Ekologické přednosti čistého MEŘO vůči motorové naftě z ropy jsou evidentní. Směsné palivo s obsahem MEŘO (větším neţ 30 - 36 % hm.) si zachovává převáţnou část ekologických předností čistého biopaliva. Základním technickým parametrem paliva SMN 30 je jeho sloţení. Jedná se o směsné palivo, kde hlavní sloţkou je standardní motorová nafta splňující ČSN EN 590, druhou sloţkou je MEŘO dle ČSN EN 14 214 v minimálním obsahu 30 % z celkové směsi. Toto palivo vyhovuje svými vlastnostmi a sloţením poţadavkům ČSN 65 6508. Palivo SMN 30 má většinu jakostních parametrů shodných s motorovou naftou, ale vzhledem k obsahu MEŘO se od čisté ropné nafty v některých vlastnostech liší. Z funkčního hlediska se při uţití paliva SMN 30 pozorovatelně neprojevují ţádné změny v provozním chování motoru. Je třeba zmínit menší výhřevnost, která má za následek pokles výkonu o 1 – 2 % a vliv na vyšší měrnou spotřebu paliva o cca 1 – 5 %. Zdroj: AGP Jihlava (cit. MZLU Brno). V České republice se prodává od různých výrobců pod různými obchodními názvy: SMN 30, B30, Biodiesel, Ekodiesel, Setadiesel.

| 33

Na trhu jsou tato motorová paliva:

6.2

-

motorová nafta = B7 dle ČSN EN 590 s obsahem FAME/MEŘO do 7 % obj.;

-

SMN 30 = směsná motorová nafta s obsahem FAME/MEŘO min. 30 % obj. dle ČSN 65 6508;

-

B100 = bionafta dle ČSN EN 14 214 (čisté FAME/MEŘO).

Ekonomická podpora biopaliv

Vzhledem k tomu, ţe výroba biopaliv je nákladnější neţ výroba klasických fosilních paliv, je nutné biopaliva finančně zvýhodnit, aby byla zajištěna jejich konkurenceschopnost na trhu ve srovnání s čistě fosilními pohonnými hmotami. Cena je garantována osvobozením vysokoprocentních směsí a čistých biopaliv od spotřební daně. Principem daňové podpory je vţdy daňová úleva na bio sloţku obsaţenou v palivu. Pro nízkoprocentní povinné přimíchávání bio sloţky toto osvobození neplatí.

7.

Měření technických parametrů na motorové brzdě

V rámci návrhu metodiky postupu měření a zpracování naměřených hodnot byly pouţity zdroje (Bílek a Karásek, 1983; Šeba, 1999; Bauer et al., 2006).

7.1

Stávající metody měření hlavních parametrů spalovacích motorů

Hlavním parametrem spalovacích motorů z hlediska ekonomiky a ekologie provozu je míra účinnosti přeměny chemické energie obsaţené v palivu na mechanickou práci. Nejvýznamnějším ukazatelem této účinnosti je měrná spotřeba paliva. Aby bylo moţné ji stanovit, je nutné, aby byly dostatečně přesně měřeny výkonové parametry a spotřeba paliva motoru. K měření výkonových parametrů spalovacích motorů, výkonu a točivého momentu v závislosti na otáčkách, se vyuţívá celá řada metod. Z hlediska zatíţení, lze rozdělit tyto metody na stacionární (statické) a dynamické. Obvykle se statickým zatíţením spalovacího motoru rozumí takové zatíţení, které umoţní nastavení předvolených otáček, které jsou v průběhu snímání jednotlivých vstupů a výstupů z motoru konstantní. K udrţování příslušného zatíţení slouţí celá řada motorových brzd. Dynamické metody jsou měřeny při dynamických reţimech motoru, jako je urychlování a zpomalování jeho setrvačných hmot.

| 34

7.2

Materiál a metodika

V souvislosti s dosaţením cíle práce bylo realizováno experimentální měření vlivu pouţívání biopaliv na ukazatele práce spalovacího motoru u traktoru ZETOR 6211 v dílnách Zemědělské fakulty, Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, vybavených potřebným měřícím zařízením (viz obr. 7.1). Pro měření bylo pouţito: Traktor ZETOR 6211 (obr. 7.2), rok výroby 1987, objem motoru 3 456 cm3, počet motohodin neznámý. Dynamometr (obr. 7.3), typ VD 110/6, rok výroby 1971, chlazení vodní. Měřič spotřeby (obr. 7.4), typ ADAST 8500.06, s přesností 2 %, max. průtok: 0,1 [m3.h-1], min. průtok: 0,002 [m3.h-1]. Monitor spotřeby (obr. 7.5), model DR-101, (výrobce ADAST Adamov – JZD Dříteň, pouţívá se v kombinaci s měřičem spotřeby). Elektronický snímač otáček (obr. 7.6), typ TESTO 475, výrobní číslo 05604750. Kalibrované odměrné válce. Mohrovy váhy, typ MEOPTA 158 21, váţivost 0 – 10 g, citlivost 10 mg.

Obr. 7.1 Měřící pracoviště. Foto: Martin Holý

| 35

Obr. 7.2 Traktor ZETOR 6211. Foto: Martin Holý

Obr. 7.3 Dynamometr typ VD 110/6. Foto: Martin Holý

| 36

Obr. 7.4 Měřič spotřeby typ ADAST 8500.06. Foto: Martin Holý

Obr. 7.5 Monitor spotřeby model DR-01. Foto: Martin Holý

| 37

Obr. 7.6 Elektronický snímač otáček typ TESTO 475. Foto: Martin Holý

Cílem bylo získat otáčkovou charakteristiku motoru při provozu na: motorovou naftu; směs I. (7 % MEŘO a 93 % motorová nafta); směs II. (30 % MEŘO a 70 % motorová nafta); směs III. (50 % MEŘO a 50 % motorová nafta) a 100 % MEŘO. Měření se uskutečnilo se statickým zatěţováním. Zatěţování spalovacího motoru probíhalo přes zadní vývodový hřídel pomocí dynamometru. Jednoduché blokové schéma zapojení je znázorněno na obr. 7.7.

Obr. 7.7 Blokové schéma napojení vývodového hřídele na dynamometr při měření.

Pro měření bylo nutno provést úpravu palivové soustavy traktoru spočívající v odpojení palivové nádrţe z důvodu rychlé výměny paliva. Palivo bylo přiváděno z kalibrovaného odměrného válce přes hrubý čistič a měřič spotřeby do palivové soustavy motoru, viz obr. 7.8. Před provedením měření pro kaţdou směs musel touto palivovou soustavou protéci nejdříve jeden litr dané směsi naprázdno. To se dělo proto, aby se docílilo přesnosti ve sloţení vzorku, který byl pouţit pro získání výsledných hodnot měření.

| 38

Obr. 7.8 Blokové schéma zapojení upravené palivové soustavy traktoru Zetor 6211. Popis soustavy: 1 – kalibrovaný odměrný válec, 2 – vypouštěcí kohout, 3 – hrubý čistič paliva, 4 – měřič spotřeby paliva, 5 – monitor spotřeby paliva, 6 – regulační ventil, 7 – hrubý čistič paliva, 8 – dopravní čerpadlo, 9 – jemný filtr paliva, 10 – vstřikovací čerpadlo, 11 – vstřikovače, 12 – zpětné potrubí, 13 – vypouštěcí kohout, 14 – chladič paliva.

Měřenými parametry byly otáčky, točivý moment, spotřeba paliva motoru a hustota paliva pro daný mísící poměr. K určení hustoty paliva bylo pouţito Mohrových vah, které dokázaly rychle naměřit hustotu kapaliny na 3 aţ 4 desetinná místa. Jsou to malé pákové váhy, jimiţ se měří vztlak, kterým kapalina působí na skleněné tělísko v jednotkách vztlaku destilované vody 4 °C teplé. Ponořením tělíska zavěšeného na pravém konci vahadla do kapaliny, jejíţ hustotu měříme, se vlivem vztlaku poruší rovnováha váţek. Rovnováhu opět docílíme odpovídajícím rozmístěním jezdců v zářezech ramene. Celé měření bylo prováděno při okolní teplotě 18 °C. Z naměřených hodnot byly vypočítány:

Výkon motoru na vývodovém hřídeli (pro výpočet byly zanedbány ztráty v převodových skříních) dle vztahu [7.1].

𝑃 = 𝑀𝑡 ∗ 𝜔 = 𝑀𝑡 ∗ 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑛 kde:

[7.1]

P – výkon motoru [W] Mt – točivý moment [Nm] n – otáčky vývodového hřídel [s-1]

| 39

Dále byla stanovena pomocí Mohrových vah hustota směsi pro jednotlivé poměry a z ní stanovena dle vztahu [7.2] spotřeba paliva. 𝑀𝑝 =

kde:

𝑉𝑝 ∗ 𝜌 ∗ 3,6 𝑡

[7.2]

𝑀𝑝 𝑃

[7.3]

Mp – spotřeba paliva [kg.h-1] Vp – objem paliva [cm3] t – čas měření [s] ρ – hustota paliva [g.cm-3]

Měrná spotřeba paliva dle vztahu [7.3] 𝑚𝑝 =

kde:

mp – měrná spotřeba paliva [kg.kW-1.h-1]

Hodnoty vypočtené pomocí uvedených vztahů se vynáší do grafů charakteristik v závislosti na otáčkách. Naměřené a vypočtené hodnoty jsou uvedeny v tabulkách 7.1 aţ 7.5 a grafech 7.1 aţ 7.7.

| 40

Naměřené a vypočtené hodnoty s grafy charakteristik

7.3

Směsný poměr 100/0 (čistá motorová nafta)

Tab. 7.1 Naměřené a vypočtené hodnoty pro směsný poměr 100/0 Číslo měření

Mt [Nm]

n [min-1]

Vp 1) [cm3]

ρ 2) [g.cm-3]

P [kW]

Mp [kg.h-1]

mp [kg.kW-1.h-1]

1 2 3 4 5 6 7

29,43 49,05 68,67 88,29 98,10 107,91 117,72

2889 2860 2815 2759 2725 2698 2563

34 39 46 54 59 63 62

0,831 0,831 0,831 0,831 0,831 0,831 0,831

8,90 14,68 20,23 25,50 27,98 30,47 31,58

5,09 5,83 6,88 8,08 8,83 9,42 9,27

0,571 0,397 0,340 0,317 0,315 0,309 0,294

1) všechna měření probíhala po dobu 20 s; 2) teplota nafty při měření hustoty byla 19 °C;

Graf 7.1 Otáčková charakteristika pro směsný poměr 100/0 y = -0,000x2 + 1,548x - 1989, R² = 0,996

0,700

30,00

0,600

25,00

0,500

20,00

0,400

15,00

0,300

10,00

0,200

y = 4E-06x2 - 0,022x + 30,36 R² = 0,816

5,00

0,100

0,00

0,000

2500

2550

2600

2650

2700

2750

2800

2850

2900

měrná spotřeba mp [kg.kW-1.h-1]

výkon P [kW]

35,00

2950

otáčky n [min-1] P - 100/0

mp - 100/0

Polyg. (P - 100/0)

Polyg. (mp - 100/0)

| 41

Směsný poměr 93/7

Tab. 7.2 Naměřené a vypočtené hodnoty pro směsný poměr 93/7 Číslo měření

Mt [Nm]

n [min-1]

Vp 1) [cm3]

ρ 2) [g.cm-3]

P [kW]

Mp [kg.h-1]

mp [kg.kW-1.h-1]

1 2 3 4 5 6 7

29,43 49,05 68,67 88,29 98,10 107,91 117,72

2874 2833 2784 2739 2716 2696 2487

34 41 49 55 59 63 63

0,832 0,832 0,832 0,832 0,832 0,832 0,832

8,85 14,54 20,01 25,31 27,89 30,45 30,64

5,09 6,14 7,34 8,24 8,84 9,43 9,43

0,575 0,422 0,367 0,325 0,317 0,310 0,308

1) všechna měření probíhala po dobu 20 s; 2) teplota směsi při měření hustoty byla 19 °C;

35,00 30,00 výkon P [kW]

0,700

y = -0,000x2 + 1,470x - 1863 R² = 0,992

0,600

25,00

0,500

20,00

0,400

15,00

0,300

10,00

0,200

y = 4E-06x2 - 0,020x + 26,84 R² = 0,938

5,00

0,100

0,00

0,000

2450

2500

2550

2600

2650

2700

otáčky n P - 93/7

mp - 93/7

2750

2800

2850

měrná spotřeba mp [kg.kW-1.h-1]

Graf 7.2 Otáčková charakteristika pro směsný poměr 93/7

2900

[min-1]

Polyg. (P - 93/7)

Polyg. (mp - 93/7)

| 42

Směsný poměr 70/30

Tab. 7.3 Naměřené a vypočtené hodnoty pro směsný poměr 70/30 Číslo měření

Mt [Nm]

n [min-1]

Vp 1) [cm3]

ρ 2) [g.cm-3]

P [kW]

Mp [kg.h-1]

mp [kg.kW-1.h-1]

1 2 3 4 5 6 7

29,43 49,05 68,67 88,29 98,10 107,91 117,72

2858 2813 2763 2722 2699 2675 2525

34 42 50 57 61 64 64

0,842 0,842 0,842 0,842 0,842 0,842 0,842

8,80 14,44 19,86 25,15 27,71 30,21 31,11

5,15 6,37 7,58 8,64 9,25 9,70 9,70

0,585 0,441 0,382 0,343 0,334 0,321 0,312

1) všechna měření probíhala po dubu 20 s; 2) teplota směsi při měření hustoty byla 19 °C;

35,00 30,00 výkon P [kW]

0,700

y = -0,000x2 + 1,513x - 1913, R² = 0,988

0,600

25,00

0,500

20,00

0,400

15,00

0,300

10,00

0,200

y = 4E-06x2 - 0,022x + 30,12 R² = 0,965

5,00

0,100

0,00 2500

0,000 2550

2600

2650

2700

2750

2800

2850

měrná spotřeba mp [kg.kW-1.h-1]

Graf 7.3 Otáčková charakteristika pro směsný poměr 70/30

2900

otáčky n [min-1] P - 70/30

mp - 70/30

Polyg. (P - 70/30)

Polyg. (mp - 70/30)

| 43

Směsný poměr 50/50

Tab. 7.4 Naměřené a vypočtené hodnoty pro směsný poměr 50/50 Číslo měření

Mt [Nm]

n [min-1]

Vp 1) [cm3]

ρ 2) [g.cm-3]

P [kW]

Mp [kg.h-1]

mp [kg.kW-1.h-1]

1 2 3 4 5 6 7

29,43 49,05 68,67 88,29 98,10 107,91 117,72

2862 2823 2786 2732 2704 2674 2453

33 41 50 56 62 65 62

0,852 0,852 0,852 0,852 0,852 0,852 0,852

8,82 14,49 20,02 25,25 27,76 30,20 30,22

5,06 6,29 7,67 8,59 9,51 9,97 9,51

0,574 0,434 0,383 0,340 0,342 0,330 0,315

1) všechna měření probíhala po dobu 20 s; 2) teplota směsi při měření hustoty byla 20 °C;

40,00 35,00

0,700

y = -0,000x2 + 1,401x - 1761, R² = 0,999

0,600

výkon P [kW]

30,00

0,500

25,00

0,400

20,00 0,300

15,00 10,00

y = 3E-06x2 - 0,016x + 21,12 R² = 0,902

0,200

5,00

0,100

0,00

0,000

měrná spotřeba mp [kg.kW-1.h-1]

Graf 7.4 Otáčková charakteristika pro směsný poměr 50/50

2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 otáčky n [min-1] P - 50/50

mp - 50/50

Polyg. (P - 50/50)

Polyg. (mp - 50/50)

| 44

Směsný poměr 0/100 (čisté MEŘO)

Tab. 7.5 Naměřené a vypočtené hodnoty pro směsný poměr 0/100 Číslo měření

Mt [Nm]

n [min-1]

Vp 1) [cm3]

ρ 2) [g.cm-3]

P [kW]

Mp [kg.h-1]

mp [kg.kW-1.h-1]

1 2 3 4 5 6 7

29,43 49,05 68,67 88,29 98,10 107,91 117,72

2853 2816 2774 2732 2710 2684 2306

34 41 50 59 60 65 61

0,872 0,872 0,872 0,872 0,872 0,872 0,872

8,79 14,46 19,94 25,25 27,83 30,31 28,41

5,34 6,44 7,85 9,26 9,42 10,20 9,57

0,607 0,445 0,394 0,367 0,338 0,337 0,337

1) všechna měření probíhala po dobu 20 s; 2) teplota směsi při měření hustoty byla 22 °C;

výkon P [kW]

40,00

y = -0,000x2 + 1,206x - 1472, R² = 0,999

0,700

35,00

0,600

30,00

0,500

25,00

0,400

20,00

0,300

15,00 10,00 5,00

0,200 y = 3E-06x2 - 0,014x + 18,25 R² = 0,897

0,100

0,00 2250

0,000 2350

2450

2550

2650

2750

2850

měrná spotřeba mp [kg.kW-1.h-1]

Graf 7.5 Otáčková charakteristika pro směsný poměr 0/100

2950

otáčky n [min-1] P - 0/100

mp - 0/100

Polyg. (P - 0/100)

Polyg. (mp - 0/100)

| 45

Průběh výkonu v závislosti na směsném poměru

Graf 7.6 Průběh výkonu v závislosti na směsném poměru

| 46

Měrná spotřeba v závislosti na směsném poměru

Graf 7.7 Měrná spotřeba v závislosti na směsném poměru

| 47

Výsledky měření a diskuze

7.4

Vzhledem k té skutečnosti, ţe byl vypočítán výkon na vývodovém hřídeli s vloţenou převodovkou, je jeho hodnota menší a tomu odpovídá zvýšená měrná spotřeba paliva. Pro naše měření však tato okolnost není podstatná, protoţe naším záměrem bylo porovnat naměřené hodnoty, nikoliv zjistit absolutní výši těchto hodnot. Pro jednotlivé točivé momenty porovnáme vypočtené hodnoty výkonu a měrné spotřeby paliva s výkony a měrnou spotřebou motorové nafty.

Porovnání výkonu dle vztahu [7.4] 𝑃% =

kde:

𝑃 − 𝑃100% ∗ 100 𝑃100%

[7.4]

P100% - výkon motoru pro motorovou naftu P – výkon motoru pro daný poměr směsné motorové nafty

Porovnání měrné spotřeby paliva dle vztahu [7.5] 𝑚p% =

kde:

𝑚𝑃 − 𝑚𝑃100% ∗ 100 𝑚𝑃100%

[7.5]

mp100% - měrná spotřeba pro motorovou naftu mp – měrná spotřeba pro daný poměr směsné motorové nafty

Vypočtené hodnoty jsou uvedeny v tab. 7.6.

Tab. 7.6 Porovnání výkonu P% a měrné spotřeby paliva mp%

1 2 3 4 5 6 7

93/7 -0,52 -0,94 -1,10 -0,72 -0,33 -0,07 -2,97

P% [%] 70/30 50/50 -1,07 -0,93 -1,64 -1,29 -1,85 -1,03 -1,34 -0,98 -0,95 -0,77 -0,85 -0,89 -1,48 -4,29

0/100 -1,25 -1,54 -1,46 -0,98 -0,55 -0,52 -10,03

93/7 0,64 6,26 7,84 2,72 0,45 0,19 4,84

mp% [%] 70/30 50/50 2,42 0,45 10,94 9,20 12,21 12,60 8,41 7,38 5,77 8,58 3,82 6,73 6,17 7,12

0/100 6,26 12,04 15,74 15,78 7,30 8,83 14,75

| 48

Shrnutí výsledků Pro porovnání výkonu dle vztahu [7.6] a měrné spotřeby dle vztahu [7.7] pro různé směsné poměry motorové nafty a metylesteru bylo pouţito průměrných hodnot pro jednotlivé směsné poměry. 𝑃𝑃 =

kde:

𝑘 𝑖=1 𝑃𝑖

[7.6]

𝑘

PP – průměrný rozdíl výkonu směsné motorové nafty Pi – jednotlivé úbytky výkonu pro dané otáčky k – počet měření pro daný směsný poměr 𝑚𝑃𝑝 =

kde:

𝑘 𝑖=1 𝑚𝑃𝑖

[7.7]

𝑘

mPp – průměrný rozdíl měrné spotřeby směsné motorové nafty mPi – rozdíl měrné spotřeby pro dané otáčky k – počet měření pro daný směsný poměr

Vypočtené hodnoty pro dané směsné poměry jsou uvedeny v tab. 7.7 a vyneseny do grafu 7.8.

změna [%]

Graf 7.8 Změna výkonu a měrné spotřeby pro jednotlivé směsné poměry 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 -2,00 0 -4,00

y = -0,000x2 + 0,128x + 2,713 R² = 0,959

y = -4E-05x2 - 0,01x - 0,904 R² = 0,991

20

40

60

80

100

120

zastoupení MEŘO ve směsi [%] → podíl MEŘO se zvyšuje mpp

Pp

Polyg. (mpp)

Polyg. (Pp)

| 49

Tab. 7.7 Změna výkonu a měrné spotřeby pro jednotlivé směsné poměry Koncetrace

93/7

70/30

50/50

0/100

Pp [%] mpp [%]

-0,95 3,28

-1,31 7,10

-1,46 7,44

-2,33 11,53

Výsledky provedeného experimentu ukazují na změnu provozních parametrů vznětového motoru v souvislosti s pouţitím různých směšovacích poměrů bio sloţky se základním palivem – motorovou naftou. Oba sledované parametry se změnily směrem k horšímu, kdy niţší výhřevnost směsných motorových naft způsobuje pokles výkonu, resp. nárůst měrné spotřeby paliva (viz tab. 7.7). Procentuální změna těchto parametrů není zásadní a nijak nevylučuje pouţití směsných motorových naft jako palivo ve vznětových motorech.

| 50

8.

Závěr

Cílem bakalářské práce bylo porovnat na trhu dostupná biopaliva od různých výrobců na provozní parametry motoru – především výkon a měrnou spotřebu a dále vyhodnotit různé směšovací poměry bio sloţky se základním palivem – motorovou naftou. V bakalářské práci byly popsány a shrnuty zdroje pro výrobu biopaliv, charakterizovány jednotlivé výrobní technologie a uvedeny jejich fyzikálně – chemické vlastnosti. Dostatek prostoru byl věnován porovnání provozních parametrů motoru s MEŘO a motorovou naftou, kdy niţší výhřevnost MEŘO způsobuje pokles výkonu, resp. nárůst měrné spotřeby paliva. Byla popsána obecná charakteristika MEŘO, jeho sloţení od různých výrobců dle produktových listů. Byly vyzdviţeny ekologické přednosti čistého MEŘO vůči motorové naftě. Dále bylo zmíněno směsné palivo SMN 30 = směsná motorová nafta s obsahem minimálně 30 % V/V MEŘO, která si zachovává převáţnou část ekologických předností čistého biopaliva. Výsledkem praktické části při experimentálním měření na motorové brzdě u traktoru ZETOR 6211 je vyhodnocení různých směšovacích poměrů bio sloţky se základním palivem – motorovou naftou. Tyto výsledky lze uplatnit u odborné či laické veřejnosti. Závěrem lze říci, ţe biopaliva nemají produkty z ropy nahradit, ale vhodně doplnit. Představují jednu z příleţitostí, jak se postavit ke skutečnosti, ţe ropy ubývá a její naleziště se nacházejí v hojné míře v politicky nestabilních oblastech. Její transport je navíc velmi náročný na energii. Jedná se o jedno z dočasných, avšak velice praktických řešení do té doby, neţ budou na trhu biopaliva druhé nebo třetí generace, motory na vodík nebo ještě něco dokonalejšího.

| 51

Seznam použité literatury a zdrojů

BAUER F., SEDLÁK P., ŠMERDA T. (2006): Traktory. Praha, Profi Press, s. 192, ISBN: 80-86726-15-0. BÍLEK V., KARÁSEK J. (1983): Cvičení z fyziky laboratorní úlohy. Praha, Vysoká škola zemědělská v Praze, s. 110. BUREŠ O., KUBALE J., NOVÁK Z., PAPOUŠEK M. (1980): Traktory a automobily. Praha, Státní zemědělské nakladatelství. s. 464. ČAPPO: Zhodnocení vyuţívání biopaliv v dopravě v České republice k 31. 5. 2011. Čappo.cz [online]. 2011, str. 2, [cit. 2011-11-20]. Dostupné z WWW: . LAURIN J.: Rostlinné oleje jako motorová paliva. Biom.cz [online]. 2008-10-29 [cit. 2011-11-30]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655. MATĚJOVSKÝ V. (2005): Automobilová paliva. Praha, Grada Publishisng a.s., s. 224, ISBN: 80-247-0350-5. MZe ČR: Víceletý program podpory dalšího uplatnění biopaliv v dopravě. eAGRI.cz [online]. 2009-11-07 [cit. 2011-11-28]. Dostupné z WWW: . MŢP ČR: Integrované povolení pro zařízení výroby FAME společnosti Preol, a. s., Lovosice. mzp.cz [online]. [cit. 2012-01-05]. Dostupné z WWW: . PREOL: Produkty. preol.cz [online]. [cit. 2012-01-10]. Dostupné z WWW: . Produktový list FAME/MEŘO: Preol, a. s., Lovosice, Setuza, a. s., Ústí nad Labem, Agropodnik, a. s., Jihlava. RAEN: Vyuţití kapalných paliv z biomasy. mpo-efekt.cz [online], s. 31 [cit. 201201-03]. Dostupné z WWW: . SLADKÝ V.: Výroba syntézního plynu z pevné biomasy. Biom.cz [online]. 201012-15 [cit. 2011-11-22]. Dostupné z WWW: < http://biom.cz/cz/odborneclanky/vyroba-syntezniho-plynu-z-pevne-biomasy>. ISSN: 1801-2655. SRDECNÝ K., KNÁPEK J., KLINKEROVÁ J., KAŠPAROVÁ M. (2009): Obnovitelné zdroje energie – Přehled druhů a technologií. Praha, Ministerstvo ţivotního prostředí ČR, s. 3-6, 26-31, ISBN: 978-80-7212-518-0.

| 52

ŠEBA J. (1999): Problematika výroby bionafty a její vliv na základní parametry spalovacích motorů. [Závěrečná práce]. České Budějovice, s. 62, Jihočeská univerzita, Zemědělská fakulta, katedra zemědělské techniky. ŠEBOR G., POSPÍŠIL M., ŢÁKOVEC J. (2006): Technicko – ekonomická analýza vhodných alternativních paliv v dopravě (1. část). mdcr.cz [online]. Vysoká škola chemicko - technologická v Praze, Fakulta technologie ochrany prostředí, Ústav technologie ropy a petrochemie, s. 200 [cit. 2011-11-21]. Dostupné z WWW: . TECHAGRO (2010): Zhodnocení parametrů vznětových motorů testovaných traktorů poháněných palivy z řepky olejné a perspektivy rozvoje pro tato paliva. 9.mezinárodní seminář. bvv.cz [online]. Agropodnik, a. s., Jihlava, Miroslav Baţata [cit. 2011-12-03]. Dostupné z WWW: < http://www.bvv.cz/i2000/Akce/bagro.nsf/WWWAllPDocsID/IEXP-85CBKS/$File/06_Bazata.pdf>. TÜV SÜD Czech: Certifikace udrţitelnosti biopaliv. [cit. 2011-12-15]. Dostupné z WWW: < http://www.tuv-sud.cz/uploads/images/1294825588838397380246/2011pl_certifikace_udrzitelnosti_biopaliv.a4.pdf>. VLK F. (2006): Paliva a maziva motorových vozidel. Brno, František Vlk, nakladatelství a vydavatelství, s. 376, ISBN: 80-239-6461-5.

Normy: ČSN EN 590 Motorová paliva – Motorové nafty – Technické poţadavky a metody zkoušení. ČSN EN 14 214 Motorová paliva – Metylestery masných kyselin (FAME) pro vznětové motory – Technické poţadavky a metody zkoušení. ČSN 65 6508 Motorová paliva – Směsné motorové nafty obsahující FAME (MEŘO) – Technické poţadavky a metody zkoušení. ČSN EN 15 376 Motorová paliva – Etanol jako sloţka automobilových benzinů – Technické poţadavky a metody zkoušení.

| 53