Odborné články

Zhodnocení ekologického potenciálu paliva E85

Evropská unie přijala rozhodnutí dosáhnout do roku 2020 alespoň 20% snížení emisí skleníkových plynů ve srovnání s rokem 1990. Pro splnění tohoto úkolu navrhla EU do roku 2020 závazné cíle – další zlepšení energetické účinnosti o 20 %, dosažení 20% podílu obnovitelné energie a 10% podílu biopaliv na trhu s pohonnými hmotami v EU. Důvodem je mimo jiné zvýšení bezpečnosti dodávek energie prostřednictvím diverzifikace skladby pohonných hmot.

Pro zavádění biopaliv v České republice, kromě výše zmíněného poklesu produkce emisí skleníkových plynů, jsou rozhodující tři důvody:

biopaliva jsou obnovitelným zdrojem energie
používání biopaliv snižuje závislost na ropě, která pochází převážně z dovozu a její cena neustále kolísá – proto nelze předvídat její další cenový vývoj
výroba biopaliv přináší další možnosti využití zemědělské půdy a je jednou z příležitostí pro vytvoření nových pracovních míst v rezortu zemědělství a lesnictví

Bioetanol lze vyrobit z každé zemědělské plodiny, která obsahuje sacharidy, tj. od vojtěšky přes brambory, obiloviny až po cukrovou řepu nebo třtinu. Surovinou může být také jakákoli biomasa obsahující lignocelulózu např. dřevo, dřevěné piliny nebo odpady při výrobě celulózy a papíru. Z obilí a biomasy lze bioetanol vyrobit buď kyselou hydrolýzou pomocí kyseliny sírové, nebo vodní hydrolýzou za vyšších teplot a tlaků, podobně je to možné i kyselou hydrolýzou dřevěných pilin, štěpků nebo stružin.

Bioetanol lze používat na nízkoprocentní přimíchávání do automobilových benzínů, které se řídí zákonem č. 180/2007 Sb. (vychází z evropské směrnice 2003/30/ES) a na vysokoprocentní bioetanolové směsi, zejména palivo E85 skládající se z 85 % bioetanolu a 15 % benzinu Natural 95. Nízkoprocentní přimíchávání bioetanolu do cca 10 % objemových nepřináší pro spalování v motoru téměř žádný problém, a není tedy potřeba žádná úprava motoru. Vysokoprocentní směsi nelze bez úprav spalovat v běžných motorech kvůli nízké výhřevnosti lihu.

V současné době jsou vysokoprocentní ethanolové směsi využívány ve vozidlech FFV (Flexi Fuel Vehicle). Tato vozidla mohou být provozovány jak na běžný benzin, palivo E85, tak i na libovolnou směs benzinu s palivem E85. Palivo E85 je možné spalovat i v běžných vozidlech, ale je třeba provést jednoduchou úpravu řídicí jednotky motoru, která spočívá v prodloužení doby vstřiku paliva. Cena takovéto přestavby se pohybuje v závislosti na výrobci zařízení a typu vstřikovací soustavy daného motoru v rozmezí 5–15 tis. Kč (např. jednotka firmy Europecon s.r.o.).

Palivo E85 je běžně k dostání u čerpacích stanic v západní Evropě. V roce 2008 začal náš největší výrobce bioetanolu (dobrovický Agroetanol TTD, a. s.) vyrábět toto vysokoprocentní palivo i v ČR. Pokud by využil celou produkci bioetanolu na výrobu tohoto paliva, vyrobil by zhruba 700 tis. hl. České čerpací stanice neprojevily velký zájem prodávat toto palivo. Důvodem byla zejména jeho vyšší cena způsobená relativně nákladnou výrobou bioetanolu a také malý počet automobilů, které ho mohou používat, na našich silnicích. Důležité je přijetí novely zákona o spotřebních daních, která má obsahovat odpočet spotřební daně z podílu biosložky u paliva E85 a dalších biopaliv, čímž dojde k výraznému snížení jejich ceny. Palivo E85 tak bude moci lépe konkurovat automobilovým benzinům. Proto předpokládáme, že zájem o něj výrazně stoupne.

Materiály a metody

Přínos spalování paliva E85, zejména v produkci emisí, byl vyhodnocován pomocí virtuální simulace evropského homologačního jízdního cyklu pro vozidla do 3,5 t. Základ simulace tvořily emisní charakteristiky motoru a charakteristiky spotřeby paliva zjištěné na zkušebním stanovišti. V prvním kroku byly tyto charakteristiky naměřeny při použití automobilového benzinu Natural 95, v druhém kroku bylo použito paliva E85. Speciálním algoritmem, vytvořeným v programu Mathcad, byly jednotlivé body emisních charakteristik a charakteristiky spotřeby paliva transformovány na spojité charakteristiky měřené veličiny (spotřeba paliva a jednotlivé složky emisí) v závislosti na otáčkách a točivém momentu motoru. Dalším speciálním algoritmem byl evropský jízdní cyklus, který definuje průběh rychlosti vozidla v závislosti na čase cyklu, převeden na průběh otáček a točivého momentu motoru v čase cyklu. Do transformace rychlosti cyklu na otáčky a točivý moment motoru byly zahrnuty všechny parametry vozidla, které ovlivňují dynamické vlastnosti vozidla (součinitel odporu valení, čelní plocha vozidla, součinitel odporu vzduchu, jednotlivé převodové poměry atd.). Propojením obou programů vznikla možnost stanovit, k průběhu rychlosti vozidla v jízdním cyklu, produkci okamžitých a kumulovaných hodnot jednotlivých složek emisí.

Tabulka 1: Parametry motoru

Jízdní cyklus byl aplikován na vozidlo Škoda Felicia s motorem 1,3 MPi. Základní parametry motoru jsou uvedeny v tab. I.

Vyhodnocení

V prvním kroku jsou naměřené hodnoty doplněné o nulové hodnoty při ztrátovém momentu postupnou interpolací ve směru točivého momentu motoru a následně ve směru otáček motoru převedeny na čtvercovou matici P, která tvoří podklad pro tvorbu spojitých charakteristik motoru. Pro tvorbu spojitých charakteristik je dále třeba definovat rozsah otáček motoru a točivého momentu motoru. Tato definice je provedena maticí M. Výsledná spojitá charakteristika je dána rovnicí:

Vzorec 1: Rozsah otáček motoru a točivého momentu motoru

Vzorec 2: Stanovení měrných produkcí emisí

Výslednou spojitou charakteristiku je dále vhodné ohraničit maximálním a ztrátovým momentem motoru. Příklad výsledné ohraničené charakteristiky spotřeby paliva pro palivo E85 je znázorněn na obr. 1. Obdobným způsobem je stanovena charakteristika spotřeby paliva pro automobilový benzín a charakteristiky jednotlivých složek emisí pro obě paliva.

Obr. 1: Hodinová spotřeba paliva E85

Obr. 2: Průběh otáček a točivého momentu motoru v městském cyklu UDC

V druhém kroku je rychlost jízdního cyklu převedena na otáčky a točivý moment motoru. Pro transformaci rychlosti vozidla na otáčky a točivý moment je nutné definovat průběhy jízdních odporů, definovat model řazení jednotlivých převodových stupňů, definovat prokluz kol atd. Výsledný průběh otáček a točivého momentu motoru je znázorněn na obr. 2.

V posledním kroku jsou propojeny spojité charakteristiky spotřeby paliva a produkce jednotlivých složek emisí s průběhem otáček a točivého momentu motoru v jízdním cyklu. Propojením získáme možnost stanovit okamžité a posléze kumulované hodnoty produkce jednotlivých složek emisí. Kumulované hodnoty za celý cyklus můžeme přes známou ujetou dráhu cyklu přepočítat na měrnou hodnotu vztaženou na jeden ujetý kilometr. Stanovení měrných produkcí emisí, respektive spotřeby paliva, je definováno rovnicemi 2 až 4:

Vzorec 3: Stanovení měrných produkcí emisí

Vzorec 4: Stanovení měrných produkcí emisí

Obr. 3–12 znázorňují průběhy kumulovaných spotřeb paliva a produkcí jednotlivých složek emisí pro automobilový benzin Natural 95 a palivo E85 v městské UDC a mimoměstské EUDC části jízdního cyklu NEDC.

Tabulka 2: Výsledné měrné produkce jednotlivých složek emisí

Produkce měrných spotřeb paliva a měrných emisí vztažená na jeden ujetý kilometr pro jednotlivé části jízdního cyklu NEDC je přehledně uvedena v tab. II. Je zde také uvedena kombinovaná hodnota měrných spotřeb paliva a měrných emisí určená váhovým průměrem měrné produkce z městské a mimo-městské části cyklu. Městská část je zastoupena 36,8 % a mimoměstská část 63,2 %.

Výsledky provedeného experimentu ukazují na relativně vysoký nárůst spotřeby paliva při použití paliva E85, který je zapříčiněn nižší výhřevností ethanolu tvořící základ paliva E85. Při kombinovaném způsobu provozu vzroste hmotnostní spotřeba paliva o 46,4 %. Výrazný nárůst spotřeby paliva nelze považovat za negativní jev, je však nutné s nárůstem spotřeby paliva kalkulovat při stanovování ceny paliva E85. Přepočítaná cena na energetický ekvivalent benzinu musí být konkurenceschopná. Přímý pokles v produkci CO₂ je relativně nízký, viz obr. 5. a obr. 6., jeho pokles je nutné hledat ve způsobu výroby ethanolu jako bio-paliva. V České republice připadají jako nejvhodnější plodiny pro získávání bioetanolu cukrovka a obiloviny. Z těchto dvou jmenovaných plodin přináší cukrová řepa větší úsporu v produkci CO₂ (cukrovka přibližně 40–45 %, obiloviny 25–30 %). Z hlediska úspory produkce CO₂ přinášejí největší přínos biopaliva druhé generace vyráběná z lignocelulózy, jejich výroba je však technicky poměrně náročná, proto je v současné době technologie výroby těchto biopaliv předmětem rozsáhlého výzkumu. Výrazný přínos je i v produkci přímo limitujících škodlivin, oxidu uhelnatého, nespálených uhlovodíků a oxidů dusíku. Produkce oxidu uhelnatého při spalování paliva E85 poklesne o 30 %, produkce nespálených uhlovodíků poklesne o 21 % a produkce oxidů dusíku poklesne o 31 %, uvažujeme-li o kombinovaném způsobu provozu.

Obr. 3: Spotřeba paliva E85 a benzínu natural 95 v městském cyklu UDC

Obr. 4: Spotřeba paliva E85 a benzínu natural 95 v mimoměstském cyklu EUDC

Obr. 5: Produkce emisí CO2 na palivo E85 a natural 95 v městském cyklu UDC

Obr. 6: Produkce emisí CO2 na palivo E85 a natural 95 v mimoměstském cyklu EUDC

Výše provedený rozbor experimentu ukazuje na výraznýekologický potenciál paliva E85. Hlavní nevýhodu bránící jeho širšímu rozšíření představuje cena výsledného biopaliva, která se neobejde bez státní dotace. Jednou z možností jak snížit cenu paliva je odpočet spotřební daně na podíl biosložky. Přínos ve výsledné ceně však, při současných nízkých cenách ropy, nemusí být dostačující. Do budoucna by bylo vhodné hledat i jiné způsoby jak podpořit cenu bioetanolu. Rozšíření využívání paliva E85, může přinést výrazné snížení ekologických dopadů dopravy na životní prostředí, snížit závislost na dovážené ropě a přinést další výrobní možnosti pro zemědělce a cukrovary.

Obr. 7: Produkce emisí CO na palivo E85 a natural 95 v městském cyklu UDC

Obr. 8: Produkce emisí CO na palivo E85 a natural 95 v mimoměstském cyklu EUDC

Obr. 9: Produkce emisí HC na palivo E85 a natural 95 v městském cyklu UDC

Obr. 10: Produkce emisí HC na palivo E85 a natural 95 v mimoměstském cyklu EUDC

Obr. 11: Produkce emisí NOX na palivo E85 a natural 95 v městském cyklu UDC

Obr. 12: Produkce emisí NOX na palivo E85 a natural 95 v mimoměstském cyklu EUDC

Příspěvek vznikl za podpory projektu MD ČR č. CG912-058-520 „Metodika kvantifikace a vyhodnocení environmentálních a bezpečnostních vlivů dopravy“ a projektu OC 193 MŠMT ČR, součásti akce EU COST 356 „Metody hodnocení a multidisciplinární ocenění vlivů dopravy na trvale udržitelné životní prostředí“.

Souhrn

Článek se zabývá zhodnocením ekologického přínosu paliva E85, ke kterému byla použita virtuální simulace evropského homologačního cyklu NEDC. Základ simulace tvoří charakteristiky motoru naměřené na zkušebním stanovišti. V prvním kroku jsou naměřeny emisní charakteristiky a charakteristika spotřeby paliva při použití automobilového benzinu Natural 95. V druhém kroku jsou naměřeny stejné charakteristiky při použití paliva E85. Testovaným motorem byl motor Škoda Felicia 1,3 MPi. Pro umožnění spalování paliva E85 bylo nutné použít speciální úpravu řídicí jednotky motoru (použitá jednotka byla od firmy Europecon s.r.o.). Následující speciální výpočtový program vyvinutý na Katedře vozidel a pozemní dopravy je pak schopný k charakteristikám motoru a průběhu rychlosti v jízdním cyklu NEDC stanovit měrnou produkci jednotlivých složek emisí a spotřebu paliva připadající na jeden ujetý kilometr.

Literatura

Proposal for a Directive of the European Parlament and of the Council on the promotion of the use of energy from renewable sources. COM (2008) 30 final, Brusel, 23. 1. 2008.
Proposal for a Directive of the European Parlament and of the Council on the use of biofuels for transport and propsal for a Council Directive amending Directive 92/81/EEC with regard to the possibility of applying a reduced rate of excise duty on certain mineral oils containing biofuels and on biofuels. COM (2001) 547 final, Brusel, 7. 11. 2001.
KAMEŠ J.: Alternativní pohony automobilů. 1. vydání, Praha: Ben, 2004, 232 s., ISBN 80-7300-127-6.
MIKŠOVSKÝ T.: Nejasná budoucnost biolihu v Česku. Petrol magazine, 7, 2006 (4). s. 68–71.
BABIČKA L.: Najde cukrovka využití při výrobě bioplynu a palivového lihu v rámci zemědělského potravinářského komplexu? Listy cukrov. řepař., 122, 2006 (3), s. 78–81.
Directive 2003/30/EC of the European Parlament and of the Council on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport. Brusel 8. 5. 2003.
Zákon č. 180/2007 Sb., kterým se mění zákon č. 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší. Sbírka zákonů ČR, 2007.
Directive 2003/96/EC of the European Parlament and of the Council on restructuring the Community framework for the taxation of energy products and electricity. Brusel 27. 10. 2003.
9.Dieselnet – Emission Test Cycle. [online] (cit. 27. 7. 2008) <http:// www.dieselnet.com/standards/cycles/>.
EPA – Vehicle chassis Dynamometer Driving Schedules. [online], <http://www.epa.gov/otaq/labda.htm#vehcycles>, (cit. 21. 10. 2006).
MATĚJOVSKÝ V.: Automobilová paliva. Praha: Grada Publishing, 2005, 224 s.
HAVLAS M.: Výstavba lihovaru Dobrovice. Listy cukrov. řepař., 123, 2007 (7/8), s. 226–231.
TRNKA J.: Koncepce rozvoje biopaliv v České republice. Listy cukrov. řepař., 124, 2008 (5/6), s. 148–149.
MAXWELL T., JONES J.: Alternative Fuels (Emissions, Economics, and Performance). Mechanical Engineering Department Texas Tech University, In Society of Automotive Engineers, 1994, ISBN 1-56091-523-4
TAKÁTS M.: Měření emisí spalovacích motorů. Praha: ČVUT, 1997, 111 s.
ŠEBOR G., POSPÍŠIL M., MAXA D.: Využití kapalných biopaliv pro pohon motorových vozidel. Chemické listy, 100, 2006, s. 30–35.
HÖNIG V., MILER P., HROMÁDKO J.: Bioetanol jako inspirace do budoucna. Listy cukrov. řepař., 124, 2008 (7/8), s. 203–206.
DOORNBOSCH R., STEEMBLIK R.: Biofuels: Is the Cure Worse than the Disease? Round Table on Sustanainable Development-Organasation for Economic Co-operation and Development, Paris, 11.–12. 9. 2007
ŠEBOR G., POSPÍŠIL M., ŽÁKOVEC J.: Technickoekonomická analýza vhodných alternativních paliv v dopravě. Výzkumná zpráva vypracovaná pro Ministerstvo dopravy ČR, VŠCHT Praha, 2006.
HRADISKÝ J.: Dobrovický Agroetanol TTD uvedl jako první český výrobce na trh vysokokoncentrovanou palivovou směs E85. Listy cukrov. řepař., 125, 2009 (1), s. 21–22.
REINBERGR O.: Dlouhodobý výhled výroby bioetanolu v ČR. Listy cukrov. řepař., 124, 2008 (7/8), s. 200–202.