Wieloaspektowaanalizastosowaniapaliwalternatywnych.pdf

WYDZIAŁ SAMOCHODÓW I MASZYN ROBOCZYCH

POLITECHNIKA WARSZAWSKA

Wieloaspektowa analiza stosowania paliw alternatywnych

w Polsce ze szczególnym uwzględnieniem biopaliw

Redakcja:

Stanisław Radkowski

Andrzej Piętak

Autorzy:

Prof. Stanisław Radkowski

Prof. Andrzej Piętak

Prof. Stanisław Wojciech Kruczyński

Prof. Krzysztof Szewczyk

Dr inż. Mieczysław Struś

Warszawa grudzień 2006r.

Wstęp

Kryzys paliwowy lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku uzmysłowił światu, że

zasoby naturalne surowców energetycznych są ograniczone. Obecnie coraz częściej

uważa się, że istnieje bardziej realne niebezpieczeństwo przekroczenia bariery

ekologicznej niż możliwość wyczerpania się zasobów paliwowych, zwłaszcza jeśli

zagadnienia ochrony środowiska w polityce energetycznej świata nie będą należycie

traktowane. Nieprzypadkowo więc ukazał się w 1968 roku Raport Klubu Rzymskiego

pt. Granice Wzrostu oraz rok później raport Sekretarza Generalnego ONZ U Thanta,

w którym zaapelowano w sposób alarmistyczny o podjęcie międzynarodowej akcji

ratowania środowiska.

Technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że

mogą konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. Odnawialne

źródła energii są źródłami lokalnymi, toteż mogą zwiększyć poziom bezpieczeństwa

energetycznego, zmniejszając import paliw kopalnych, mogą stworzyć nowe miejsca

pracy, szczególnie w małych i średnich przedsiębiorstwach, promować rozwój

regionalny. Odnawialne źródła energii przyciągają rosnąca liczbę lokalnych

społeczności i małych inwestorów, jak również duże międzynarodowe koncerny.

Tradycyjne

odpady

drzewne i

drewno

Rolnicze

uprawy i

odpady

Etanol, inne

alkohole, estry i

paliwa

węglowodorowe

Obróbka

biochemiczna

Komponenty do

benzyn

reformułowanych

(etery), wodór

Obróbka

termochemiczna

Obróbka fizyczna /

chemiczna

Algi, rośliny

oleiste

Biodiesel

Podstawowym współczesnym źródłem energii służącym do napędzania

pojazdów są paliwa na bazie ropy naftowej – benzyna i olej napędowy. Paliwa te

muszą być zastąpione innymi. Ich szkodliwość dla środowiska z jednej strony, a z

drugiej ograniczone zasoby, spowodowały konieczność poszukiwania paliw

alternatywnych.

Europa Zachodnia

18,8

Daleki Wschód i Oceania

44,0

Ameryka Północna

55,1

Europa Wschodnia

58,9

Afryka

74,9

Ameryka Środk. i Połud.

89,5

Bliski Wschód

675,6

100

200

300

400

500

600

700

800

Zasoby (mld baryłek)

Unia Europejska założyła, że w roku 2010 muszą być spełnione obecne

kryteria jakości powietrza atmosferycznego. Przepisy dotyczące emisji spalin (Euro 3,

Euro 4, Euro 5) stają się więc coraz trudniejsze do spełnienia. Producenci

samochodów są zobowiązani do znaczącego obniżenia przed rokiem 2008 emisji

CO 2 . Wtrysk bezpośredni i coraz lepsze rozwiązania konstrukcyjne silników

zwiększają szanse silnika spalinowego, jako ciągle aktualnego napędu pojazdów.

Wraz ze wzrostem wymagań stawianych paliwom, coraz większą liczba

samochodów poruszających się po drogach świata, perspektywą końca zasobów

paliw kopalnych, wzrastało zainteresowanie alternatywnymi źródłami energii, między

innymi paliwami pochodzenia roślinnego.

Historia wykorzystania rzepaku do celów technicznych sięga przeszło 100 lat.

Rzepak (Brassica napus) znalazł zastosowanie głównie jako produkt spożywczy. W

Polsce wykorzystanie oleju rzepakowego na cele techniczne jest niewielkie (około

20%). Pierwsze wzmianki zastosowania oleju rzepakowego do celów technicznych

znaleziono w XIII wieku, kiedy nasiona dzikiego rzepaku służyły do wyrobu oleju do

oświetlenia. W tym też czasie rozpoczęto uprawianie rzepaku w obszarze Morza

Śródziemnego, a w XIX wieku w strefie Morza Bałtyckiego. Wynalezienie lampy

naftowej spowodowało koniec zainteresowania produkcją oleju do oświetlenia, od tej

pory wykorzystuje się go głównie do celów spożywczych.

Po raz pierwszy olej roślinny z orzechów ziemnych jako paliwo zastosował

Rudolf Diesel w 1900 roku. Silnik napędzany tym paliwem prezentowany był na

Wystawie Światowej w Paryżu. Poza Francją także inne kraje europejskie (Belgia,

Włochy) były zainteresowane zastosowaniem paliw roślinnych. Również w

Niemczech w latach trzydziestych prowadzono badania w tym kierunku. Pierwsze

prace na ten temat publikowane były przez A. Schmidta i K. Gaupp z Politechniki

Wrocławskiej.

Szczególnie interesujące były badania prowadzone w Belgii i ówczesnej jej

kolonii Kongo. Publikacje na temat stosowania estru etylowego z oleju palmowego

autorstwa G. Chavanne z uniwersytetu w Brukseli ukazywały się w latach

czterdziestych XX wieku. Wtedy też sformułowano pierwszą definicję biopaliwa.

W lecie 1938 roku podjęto próbę praktycznego wykorzystania biodiesla.

Paliwem tym napędzany był autobus na trasie Bruksela – Leoven. Wyniki tego

eksperymentu były zadawalające.

W Stanach Zjednoczonych w latach trzydziestych XX wieku podjęto badania

nad krakowaniem olejów palmowych, z nasion bawełny i olejów rybnych z

przeznaczeniem na paliwa. W latach pięćdziesiątych zaś na Uniwersytecie Ohio

prowadzono próby stosowania mieszanek oleju napędowego z olejami roślinnymi do

silnika Diesla.

Kryzys energetyczny w latach siedemdziesiątych i na początku lat

osiemdziesiątych XX wieku spowodował poszukiwanie nowych alternatywnych źródeł

energii, w tym olejów roślinnych. W wielu ośrodkach naukowo-badawczych

prowadzone były doświadczenia nad zastosowaniem estrów metylowych z oleju

słonecznikowego i rzepakowego. W wielu krajach biodiesel przewidziany był jako

paliwo stosowane w czasie kryzysu w rolnictwie. Nadmiar produkcji olejów roślinnych

w latach dziewięćdziesiątych spowodował rozszerzenie stosowania tego paliwa, jako

alternatywnego, do różnych pojazdów i maszyn.

Rygorystyczne przepisy w zakresie ochrony środowiska sprzyjały

zastosowaniu biodiesla charakteryzującego się mniejszą emisją składników

toksycznych. Wprowadzone preferencyjne przepisy spowodowały stosowanie

biopaliw w określonych pojazdach, co spowodowało rozwój produkcji paliw roślinnych

i ich mieszanek z olejem napędowym.

Z tego powodu bardzo wiele ośrodków badawczych na świecie zajęło się

opracowywaniem technologii otrzymywania zamienników paliw, jakim jest biodiesel,

który może zostać użyty zarówno jako komponent wchodzący w skład ropy

pochodzenia kopalnego, lub jako czyste paliwo nie zmieniające parametrów silnika.

Zaletą biopaliw jest fakt, że rzepak, lub inna roślina oleista, z której otrzymujemy olej,

w trakcie wzrostu asymiluje dwutlenek węgla z powietrza, który powraca do obiegu w

procesie spalania biodiesla w silniku. Tworzy się, więc cykl obiegu CO 2 w przyrodzie

bardzo ważny dla ochrony środowiska.

Liczne badania produktów spalania udowadniają przewagę estrów

metylowych, a zwłaszcza estrów etylowych, w których produktach spalania nie

znajdują się bardzo groźne dla organizmów żywych rodniki metylowe i HCOH ,

nad paliwami mineralnymi, w których produktach spalania znajdują się policykliczne

związki aromatyczne.

We wrześniu 1996 odbyło się w Grazu w Austrii II Europejskie Forum Biopaliw

Silnikowych, na którym wielu naukowców, producentów silników i pojazdów oraz

wytwórców i użytkowników biopaliw mogło wymienić się poglądami.

W trakcie konferencji określono cele i zamierzenia realizowanej w ramach

krajów członkowskich Unii Europejskiej polityki w zakresie biopaliw. Polityka

energetyczna Komisji Europejskiej ma na celu zmniejszenie uzależnienia krajów UE

od importowanej ropy naftowej i wytworzenia własnych lokalnych nośników energii,

którymi mogą być biopaliwa. Powołano specjalne programy badawcze na przykład

THERMIE dzięki niemu zbudowano trzy instalacje wytwarzania paliwa biodiesel

(estry metylowe): we Włoszech i w Niemczech. Innym programem jest AIR, który

przewiduje przeznaczenie 16 mln Euro na badania nad biodieslem. Wymienione

powyżej projekty, fundacje, itp. nie są jedynymi metodami wprowadzania paliw

ekologicznych na rynki świata. Kryzys paliwowy, ograniczenia w wydobyciu ropy oraz

wprowadzane coraz bardziej restrykcyjne normy na produkty spalania paliw są

dodatkowym bodźcem dla ośrodków badawczych, aby wprowadzić nowe metody

otrzymywania biodiesla oraz innych paliw ekologicznych.

Już na przełomie lat 1995-99 większość analityków przewidywało na jaki czas

starczy nam ropy kopalnej. Stały wzrost wydobycia ropy ma osiągnąć w pewnym

momencie swoje apogeum, po czym następować będzie stały spadek ilości ropy

pojawiającej się na rynkach światowych. Oczywiście wiąże się to z ciągłymi

wzrostami cen tego paliwa, w przypadku gdy nie spadnie na nią popyt. Punkt

zwrotny, czyli spadek produkcji ropy, ma nastąpić około roku 2010.

Prognozy, które są tworzone podczas analizy dotychczasowych danych,

gromadzonych m.in. przez World Oil oraz Oil and Gas Journal, nie napawają

optymizmem. Analizy doprowadzają do jednoznacznego wniosku - nadszedł

najwyższy czas aby zająć się zagadnieniem alternatywnych źródeł energii. Spadek

wydobycia związany z wyczerpywaniem się złóż łatwo dostępnej ropy spowoduje

zwiększenie znaczenia krajów OPEC z Bliskiego Wschodu, dzięki większemu

udziałowi w handlu ropą, najprawdopodobniej do 50% do roku 2010. Siłę

argumentów krajów OPEC możemy już niedługo odczuć w formie embarga

wprowadzonego na kraje UE. Oczywiście związane są z tym podwyżki cen tego

surowca i zahamowanie gospodarki uprzemysłowionych krajów, które są uzależnione

od ropy.

Większość krajów w których myśli się perspektywicznie uruchomiło programy

badawcze które mają na celu zmniejszenie ich uzależnienia od ropy. Pierwsze

badania i eksploatację polskiego paliwa rzepakowego podjęto w latach 90. w

Wyższej Szkole Inżynierskiej w Radomiu gdzie opracowano polską technologię

produkcji paliwa rzepakowego i rozpoczęto wstępną eksploatację samochodu

„Tarpan”.

Prace kontynuowano i rozszerzono w Instytucie Lotnictwa w latach 1993 -

1997, gdzie przebadano różne rodzaje próbek paliw polskich i zagranicznych.

Przeprowadzono badania hamowniane większości silników producentów krajowych

oraz kilka silników producentów zagranicznych. Test samochodu Polonez Caro

Diesel, który przejechał ponad 170 000 km na 100% czystym paliwie rzepakowym

potwierdził dobre własności polskiego paliwa rzepakowego.

Również badania z zastosowaniem alternatywnych paliw odnawialnych

prowadziło Wojsko Polskie w Wyższej Szkole Oficerskiej im. T. Kościuszki we

Wrocławiu pod kierownictwem płk dr inż. Mieczysława Strusia. Na podwrocławskim

poligonie jeździły czołgi i wozy bojowe napędzane ekologicznym paliwem. Próby na

czołgu T-72 i Bojowym Wozie Piechoty - BWP-1, wypadły pomyślnie, z

zastrzeżeniem, że wymagane jest dalsza optymalizacja parametrów fiyczno-

chemicznych paliw w aspekcie ich logistyki.

Od roku 1994 w Przemysłowym Instytucie Maszyn Rolniczych (PIMR) w

Poznaniu były prowadzone prace nad zastosowaniem paliwa z rzepaku do silników

ciągników rolniczych. PIMR wykonał i przebadał mini wytwórnię do produkcji paliwa

ciągnikowego z oleju rzepakowego, tzw. agrorafinerię, produkującą biodiesel dla

zakładów usługowo-przetwórczych. W opracowanym przez PIMR urządzeniu proces

estryfikacji paliwa rzepakowego trwa około 30 minut, natomiast sedymentacja

grawitacyjna jest procesem długotrwałym – trwa około 16 godzin. Do przeróbki oleju

rzepakowego na paliwo ciągnikowe w warunkach wiejskich optymalne będą rafinerie

o pojemnościach 160-400 litrów. Dlatego 1998 roku Instytut opracował dokumentację

konstrukcyjną wytwórni paliwa rzepakowego o wydajności 400 litrów na dobę.

Przewidywano, że koszt takiego urządzenia – produkowanego w małych seriach –

nie powinien przekroczyć kwoty 40 tys. zł.

Z wyhodowanych przez siebie roślin oleistych, z odrobiną wiedzy i dysponując

odpowiednimi urządzeniami, jest możliwe wytwarzanie biopaliwa do zasilania silnika

wysokoprężnego. Proces otrzymywania paliwa oparty na bezpiecznej,

niskotemperaturowej i niskociśnieniowej technologii jest możliwy we własnym

gospodarstwie.

W czasie II wojny światowej Niemcy używali jako paliwa spirytusu metylowego

(CH 3 OH). Metanol można uzyskiwać dosłownie ze wszystkiego: wiórów drewnianych,

gałęzi, krzewów, wszelkich organicznych odpadów, a także z węgla kamiennego.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: