Jezdíme na rostlinný olej

Spalovací motory jsou hlavní hnací silou většiny motorových vozidel, lodí, zemědělských traktorů, stavebních strojů, a dalších mobilních strojů a zařízení. Mezi jejich hlavní výhody patří relativně vysoká účinnost, spolehlivost, a nízké pořizovací i provozní náklady. Motory jsou poháněné téměř výhradně kapalnými palivy vyrobenými z ropy, tj. fosilního původu, jejichž spotřeba neustále narůstá (v ČR se v roce 2008 prodalo přibližně 2 mil. tun benzinu a 4 mil. tun nafty). Bohužel zásoby ropy jsou omezené, a kombinace zvyšující se světové poptávky a nezvyšující se schopnosti ropu produkovat logicky vede ke zvyšování její ceny. Vzhledem k (někdy záměrným) značným nepřesnostem odhadu zásob ropy, politické nestabilitě mnoha regionů vyvážejících ropu, a různých spekulací, je tento nárůst cen neustálený a ceny pohonných hmot výrazně ale nepředvídatelně kolísají.

Obr. 1: Koloběh rostlinného oleje

Spalováním fosilních paliv, tedy i benzinu a nafty vyrobených z ropy, jsou do atmosféry uvolňovány jak skleníkové plyny - oxid uhličitý (CO₂), velmi malé množství oxidu dusného, a v případě vozidel poháněných zemním plynem i metan - tak emise škodlivých látek, z nichž nejvýznamnější jsou organické plynné látky (HC), oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NO_x), a pevné částice (PM). Emise škodlivin ze spalovacích motorů jsou pak jedním z hlavních zdrojů znečištění ovzduší v městských aglomeracích. Nárůst koncentrací skleníkových plynů v atmosféře je spojen s dlouhodobými změnami klimatu, a to nejen postupným zvyšováním průměrné teploty (globální oteplování), ale zejména nárůstu intenzity a četnosti klimatických extrémů (extrémně vysoké a nízké teploty, dlouhotrvající sucha, intenzivní nebo dlouhodobé deště, tornáda, hurikány).

Zde je nutno připomenout, že oxid uhličitý je emitován i rostlinami a zvířaty, nicméně tyto emise jsou v rovnováze s odběrem oxidu uhličitého z atmosféry rostlinami při jejich růstu – uhlík, jenž je rostlinami a živočichy metabolizován na CO₂, je rostlinného původu, a pochází z uhlíku absorbovaného rostlinami z atmosféry ve formě CO₂. Spalováním fosilního uhlíku se oproti tomu CO₂ pouze uvolňuje, a to mimo tento koloběh. Právě tyto „nadbytečné“ emise CO₂ mimo přírodní koloběh jsou spojeny s nárůstem koncentrace CO₂ v ovzduší a s ním spojenými klimatickými změnami.

Obr. 2: Vliv otáček a zatížení motoru

Snižování spotřeby energie a hledání alternativních zdrojů energie a alternativních pohonů je proto jedním ze základních předpokladů zachování výhod, jež nám mobilní stroje přinášejí. Jedním z alternativních paliv jsou rostlinné oleje, které lze – za určitých podmínek – používat ve vznětových (naftových) motorech, ostatně na ně byly i první vznětové motory provozovány. V Evropě je to zejména olej řepkový, celosvětově je dokumentováno i použití jiných olejů: sójový, slunečnicový, palmový, kokosový, lněný, makový, sezamový, konopný, olej z jatrophy curcus, karanji, rybí tuk, a též recyklovaný fritovací olej.

Rostlinné oleje (RO) lze relativně jednoduše produkovat, s vynaložením malého zlomku energie obsažené v získaných produktech, z různých olejnatých plodin pěstovaných v mnoha regionech světa. Například na kultivaci 1 ha řepky, nejvíce využívané plodiny pro produkci palivových olejů v ČR (výnos cca jedna tuna řepkového oleje) je třeba 53-90 l nafty, celková energie potřebná na získání 1 MJ obsaženém v řepkovém, slunečnicovém a sojovém oleji je pak v rozmezí 0,15-0,36 MJ, tedy 15-36 % energie obsažené v palivu, a to při současném stavu, který zdaleka ještě nemusí být optimální. Nejedná se ale o situaci, kdy na výrobu paliva je spotřebováno více energie z fosilních zdrojů, než energie v palivu obsažené. Naopak, při vhodném celkovém řešení energetického řetězce – viz. obr. 1 – se vylisovaný olej využívá jako palivo, a zbytek rostliny pro přípravu krmiva nebo jako palivo pro výrobu tepla, přičemž nespalitelný zbytek – důležité minerály, které by se musely dodávat ve formě hnojiv – lze vracet zpět na pole.

Obr. 3: Základní schéma přídatného palivového systému pro spalování rostlinného oleje

Rostlinné oleje mají oproti klasické motorové naftě mírně nižší výhřevnost a mírně vyšší hustotu, a výrazně vyšší teplotu filtrovatelnosti (nejnižší teplota, při které ještě lze palivo přečerpat přes filtr, tudíž nejnižší teplota, při které je palivo použitelné), výrazně (více než o řád) vyšší viskozitu, a výrazně vyšší bod vzplanutí (zpravidla kolem nebo nad 250 ºC), obsahují též cca 10 % kyslíku.

Rostlinné oleje jsou méně škodlivé pro lidský organismus (slouží jako potravina) i životní prostředí, a rychleji se rozkládají. Z hlediska zdravotního, požárního a ekologického rizika patří mezi nejbezpečnější paliva. Ostatně - které jiné palivo byste si dali do kuchyně hned vedle sporáku? Tyto a další vlastnosti podstatně ovlivňují spalování rostlinných olejů ve vznětovém motoru. Poznámka: Byly provedeny i pokusy spalovat rostlinný olej s benzinem v zážehových motorech, tam však nelze hovořit o spalování, neboť rostlinný olej netvoří za normálních podmínek se vzduchem výbušnou směs – zážehovým motorem prochází ve velké míře nespálený, tvoří úsady v motoru a výfukovém systému a v motorovém oleji.

Obr. 4: Přídatný palivový systém na traktorovém motoru Zetor 1505

Zásadní vliv na chod motoru má vyšší viskozita, která způsobuje vyšší tlakové ztráty v palivovém systému, teoreticky i horší rozprášení paliva ve spalovacím prostoru, a tím i horší (méně úplné) spalování. Pro alespoň částečné snížení vysoké viskozity se palivo vyhřívá, v silničních vozidlech se často využívá různopalivového systému, kde motor je nastartován a ohřát na naftu a poté provozován na rostlinný olej vyhřívaný chladicí kapalinou motoru. Před odstavením motoru je do palivového systému zavedeno opět klasické palivo.

Vliv rostlinného oleje na chod motoru je značně závislý na provozních podmínkách, to jest otáčkách a zatížení motoru. Při vyšších zatíženích motoru je průběh spalování dán především rychlostí míšení par paliva se vzduchem a rychlost vznícení i hoření paliva je srovnatelná s naftou. Hlavní roli hraje odlišná chemická struktura a obsah kyslíku v palivu, vyšší modul pružnosti rostlinných olejů pak ovlivňuje počátek a průběh dodávky paliva. Emise organických látek a částic jsou zpravidla nižší, emise oxidů dusíku srovnatelné nebo mírně vyšší, podle konstrukce motoru.

Obr. 4A: Improvizovaný palivový systém na motoru Avia

Litr rostlinného oleje má o 5-10 % nižší výhřevnost než litr nafty, proto je spotřeba paliva o jednotky procent vyšší. Při konstantním objemu dávky paliva do válce (stejné spotřebě) je z důvodu nižší výhřevnosti o jednotky procent nižší i maximální výkon. U některých starších typů motorů však část paliva vstřikovaného pod velmi vysokým tlakem proniká zpět do přívodu paliva netěsnostmi ve vstřikovacím čerpadle a vyšší viskozita rostlinného oleje tyto ztráty sníží, čímž se zvýší dávka paliva, a to i do té míry, že je výsledný maximální výkon motoru na rostlinný olej vyšší.

Obr. 5: Přídatný palivový systém fi rmy Greasecar na automobilovém motoru VW 1,9 TDI

Při nízkých zatíženích má dominantní vliv rychlost odpařování kapiček paliva. Zde hraje roli vyšší viskozita a vyšší teploty potřebné k tvorbě plynné směsi palivo-vzduch (není zřejmé, do jaké míry je plynná směs tvořena odpařováním a do jaké míry rozkladem paliva), hlavní fáze hoření nastává později, účinnost spalování klesá a narůstají emise HC, CO a PM, zatímco emise NO_x klesají. Popsané vlivy během nízkých zatížení jsou výraznější, pokud je palivo nedostatečně vyhříváno.

Při provozu na rostlinný olej má na výfukové emise též výrazný efekt historie provozních podmínek motoru. Při dlouhém provozu motoru na volnoběh se spalování zhoršuje a nespálený rostlinný olej se ukládá ve spalovacím prostoru a ve výfukovém systému. Po zatížení motoru, například prudkém rozjezdu po čekání v koloně, nebo nájezdu na dálnici, se tento usazený rostlinný olej vlivem vysokých teplot výfukových plynů rozkládá a odchází ve formě bílého dýmu s charakteristickým zápachem připalovaného smaženého pokrmu. Olej usazený na stěnách válce proniká kolem pístních kroužků do motorového oleje. Na rozdíl od benzinu nebo nafty se rostlinný olej z motorového oleje neodpaří, nýbrž v něm zůstává až do jeho vypuštění a výměny. Neustálý pohyb motorového oleje, kontakt se vzduchem a s kovovými otěrovými částicemi a vysoké teploty pak urychlují degradaci rostlinného oleje na vysokoviskózní oligomery (proces ne zcela nepodobný vysychání fermeže), které způsobí, že olej najednou zrosolovatí a ztrácí svoji tekutost a tudíž i mazací schopnost.

Obr. 6: Čerpání použitého fritovacího oleje do přídatné nádrže (Tony Thorpe, San Diego, Kalifornie)

Hranice, kdy je spalování rostlinného oleje ještě přijatelné, se posouvá s jeho teplotou, s teplotou motoru a je jiná pro různé typy a konstrukce motorů a palivového systému. Lze ji posunout, ale pravděpodobně ne zcela mimo běžné „pole“ provozních podmínek (viz. obr. 2). Proto pro současné motory nelze doporučit provoz na rostlinný olej při velmi malých zatíženích, například při popojíždění v koloně, pojíždění manipulačními stroji, pro městské autobusy nebo posunovací lokomotivy. Rostlinný olej je proto vhodný pro motory, které pracují ve středním až vyšším zatížení, a to pokud možno dlouhodobě, aby se zamezilo častému střídání paliv – například pro autobusy a kamiony dálkové dopravy, některé hybridní-elektrické pohony, traktory při práci na poli, kogenerační jednotky.

Většinu vznětových motorů s mechanickými vstřikovacími zařízeními (vstřikovací čerpadla nebo jednotkové vstřikovače) a některé moderní motory se systémem Common Rail lze provozovat na rostlinný olej palivové kvality s přídatným palivovým systémem, jehož základní schéma je na obr. 3. Přídatný palivový systém sestává z ručně ovládaných nebo elektromagnetických trojcestných ventilů, které umožňují přepínání přívodu paliva do vstřikovacího systému a vraceného paliva mezi nádrží s naftou a s olejem, výměníku pro ohřívání rostlinného oleje, vyhřívaného filtru rostlinného oleje a v případě provozu při teplotách, při kterých je olej obtížně čerpatelný, též vyhřívaných palivových hadic a vyhřívané nádrže. Zpravidla je rostlinný olej uskladněn v přídatné nádrži, někdy je ale v přídatné nádrži nafta a rostlinný olej je v původní nádrži. Pro vyhřívání palivového systému se zpravidla používá chladicí kapalina z „malého“ okruhu, napájející topení kabiny, přičemž nejdříve se vyhřívá výměník, poté (s již částečně ochlazenou kapalinou) filtr a poté nádrž, kterou je třeba ohřát jen na takovou teplotu, při které je olej tekutý. U některých motorů je třeba doplnit přídatné podávací čerpadlo na olej a případně i pomocné čerpadlo chladicí kapaliny.

Motor je nastartován a ohřát na naftu, přičemž se chladicí kapalinou ohřívá i rostlinný olej. Po dosažení provozní teploty a teploty rostlinného oleje cca 60 ºC lze přepnout na rostlinný olej. Při delším provozu na nízká zatížení a před odstavením motoru je pak nutné přepnout zpět na naftu. První se přepíná přívod paliva, teprve po uplynutí vhodné doby se přepíná vratný ventil. Při střídání paliv je třeba zamezit zbytečnému míšení paliv – zejména kontaminaci nafty rostlinným olejem – přimíšení malého množství nafty do rostlinného oleje není na závadu. Před delším odstavení je třeba motor důkladně propláchnout delším provozem na naftu.

V současné době je řepkový olej palivové kvality uznaným palivem v ČR, které je osvobozeno od spotřební daně, bohužel však na něj lze na veřejných komunikacích provozovat pouze vozidla, u kterých je toto palivo schváleno výrobcem, což je mizivá část vozidel. Zájemcům proto nezbývá, než si nechat úpravu vozidla schválit – legislativa není v tomto směru zcela jednoznačná – nebo omezit provoz na motory používané mimo veřejné komunikace, nebo riskovat případný (i když velmi sporadický) postih. V některých zemích se však rostlinný olej používá zcela legálně, obdobně jako u nás propan-butan (LPG), a lze doufat, že se Česká republika brzy zařadí mezi ně.

Poznámka: Příspěvek vychází z doktorské disertační práce a dalších prací autora, ve kterých jsou uvedeny úplné odkazy na zdroje informací, které jsou k dispozici na požádání.

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce redakce časopisu Alternativní energie a CZ Biom.

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu