Étery získávané z biomasy jako alternativní automobilová paliva

Mezi automobilová paliva, případně součásti paliv, které lze vyrobit z biomasy, patří též étery – dimetyléter a etyltercbutyléter. Dimetyléter (DME) je palivo využitelné pro vznětové motory jako náhrada nafty, vyžaduje ale rozsáhlé změny palivového příslušenství motoru. Etyltercbutyléter (ETBE) může být použit jako složka automobilových benzinů.

ETBE jako součást benzinů

V Evropě je snižování nepříznivého vlivu benzinu na životní prostředí upraveno normou pro kvalitu benzinů ČSN EN 228, která umožňuje, aby benzin obsahoval až 2,7 % kyslíku. Jako kyslíkatá složka benzinů snižující obsah oxidu uhelnatého a uhlovodíků ve výfukových plynech motorů bývá použit metyltercbutyléter (MTBE), který lze nahradit ETBE. Provozní parametry motoru poháněného benzinem s ETBE jsou prakticky shodné s parametry motoru poháněného benzinem s MTBE.

Tabulka 1 uvádí základní vlastnosti MTBE a ETBE. Z údajů o obsahu kyslíku lze vypočíst, jaké množství ETBE může být namísto MTBE do benzinu přidáno. Podíl 14,8 % MTBE způsobující obsah kyslíku v benzinu 2,7 % lze nahradit přibližně 17 % ETBE. Přechodem z MTBE na ETBE podle výše uvedených údajů se mírně zvýší oktanové číslo benzinu.

Tabulka 1: Vlastnosti MTBE a ETBE

ETBE je možno vyrobit reakcí kvasného lihu s izobuténem (i-C₄H₈) za přítomnosti katalyzátoru. Kvasný líh a izobutén lze získat z biomasy. V Evropě se ETBE jako složka benzinů vyrábí ve větším měřítku ve Francii, Španělsku a Německu.

Výroba ETBE byla vyzkoušena i v České rafinérské, a. s., v Kralupech nad Vltavou v roce 2001. Za použití 1 138 m³ bioethylalkoholu z obilí bylo vyprodukováno 2 495 m³ ETBE, který byl použit jako přísada do benzinu Natural 95 namísto MTBE. Benzin byl dodán na čerpací stanice a zákazníci změnu přijali bez připomínek.

DME jako palivo pro vznětové motory

DME je bezbarvý plyn chloroformového zápachu, hoří slabě luminiskujícím plamenem, má bod varu -24,8 °C. Není jedovatý, mírně dráždí dýchací cesty a působí narkoticky. Se vzduchem, kyslíkem, chlorem a chlorovodíkem tvoří výbušnou směs. Používá se např. jako chladicí médium nebo jako hnací plyn ve sprejích.

Graf 1: Tlak nasycených par DME a propanu v závislosti na teplotě

Vlastnosti DME v kapalném i plynném skupenství důležité pro jeho využití jako paliva pro pístové spalovací motory jsou shrnuty v tabulce 2. Pro porovnání tabulka uvádí též vlastnosti motorové nafty a propanu. Tlak nasycených par v závislosti na teplotě je v porovnání s tlakem par propanu v grafu 1.

Tabulka 2: Vlastnosti DME, propanu a nafty

DME má vysoké cetanové číslo, a proto je vhodný jako palivo pro vznětové motory. Kompresní poměr naftového motoru vyhovuje i pro DME. V porovnání s motorovou naftou neobsahuje síru a má následující výrazněji odlišné vlastnosti:

• nízký bod varu, DME je nutné skladovat v nádržích pod tlakem,
• menší měrná hmotnost a nízký obsah energie v objemové jednotce kapaliny, DME má nízkou výhřevnost,
• velká závislost měrné hmotnosti na teplotě,
• vysoký obsah kyslíku příznivě ovlivňující průběh spalování,
• nízká viskozita (přibližně 30x nižší) klade vysoké nároky na těsnost palivové instalace,
• vysoká stlačitelnost,
• nízká mazací schopnost vyžadující mazivostní přísadu,
• agresivita vůči pryžím a některým plastům,
• nižší teplota zapálení,
• krátký průtah vznícení ve spalovacím prostoru, vysoké cetanové číslo.

Vznětový motor na DME

DME se vstřikuje do válce motoru podobně jako nafta. Problémy působí některé vlastnosti DME, např. nízká mazací schopnost, malá viskozita, velká závislost měrné hmotnosti na teplotě a na tlaku. Nízká viskozita DME klade nároky na kvalitu palivového systému z hlediska těsnosti. Aby nedocházelo k poškozování pohyblivých částí palivového systému, je nutné zvýšit mazací schopnost vhodnou mazivostní přísadou.

Ke vstřikování DME do spalovacího prostoru postačují v porovnání se vstřikováním nafty relativně nízké vstřikovací tlaky, přibližně 30 MPa, které zajistí potřebné rozprášení paliva. Vhodný je např. akumulační vstřikovací systém s elektricky ovládanými vstřikovacími ventily „Common rail“. Jedno z typických uspořádání palivového systému ukazuje schéma na obr. 1.

Obr. 1: Schéma palivového systému motoru na DME

Zkapalněný DME je čerpadlem umístěným v palivové nádrži přiváděn pod tlakem přibližně 0,8 MPa k vysokotlakému čerpadlu, stlačen na vstřikovací tlak 30 MPa, řízený regulačním ventilem (PCV), přiveden do zásobníku a z něho k jednotlivým vstřikovačům. Vstřikované množství paliva i časový průběh vstřiku jsou řízeny elektromagnetickými ventily ovládanými prostřednictvím řídicí jednotky motoru.

Aby po zastavení motoru nedocházelo k pronikání paliva tryskami do válce motoru, musí být z vysokotlaké části palivového systému odvedeno zpět do nádrže. Tuto funkci zajišťují až do určitého tlaku příslušné elektromagnetické (EV) a přetlakové (PV) ventily. Po dalším snížení tlaku se DME z palivového systému přivádí do uzavřené nádoby, kde se odpaří, a plynný DME je pomocí kompresoru dopravován do palivové nádrže. Tímto opatřením se zvýší bezpečnost celého palivového systému a je možno použít místo dokonale plynotěsných součástí pouze standardní součásti jako v hydraulických systémech.

Uložení DME na vozidle

Kapalný DME se skladuje v tlakových nádržích. Tlak v nádrži v závislosti na teplotě ukazuje graf na obr.1. Při teplotě 20°C bude tlak v nádrži přibližně 0,5 MPa a při teplotě 35°C vzroste na 0,75 MPa. Na nádrže pro DME jsou kladeny podobné požadavky jako na nádrže pro propan. S ohledem na výraznou teplotní závislost měrného objemu DME jsou nádrže plněny pouze do 80 % celkového objemu.

Provozní parametry motorů na DME

Publikované výsledky experimentálních prací ukázaly, že výkonové parametry a účinnost motoru při provozu na DME jsou srovnatelné s parametry stejného motoru provozovaného na naftu.

Při spalování DME vzniká v porovnání se spalováním nafty ve stejném motoru výrazně nižší množství oxidů dusíku a pevných částic, obsah CO ve výfukových plynech je v případě DME vyšší, ale snadno se sníží pomocí oxidačního katalyzátoru.

Graf 2 : Škodlivé výfukové emise motoru provozovaného na DME a limity emisí podle předpisu EHK 49 EURO IV

Graf 2 porovnává hodnoty škodlivých výfukových emisí zjištěných při homologaci motoru VOLVO 183 kW/2000 min^-1 provedené podle předpisu EHK 49 s přípustnými limity EURO IV platnými do roku 2008. Motor byl v rámci demonstračního projektu vyvinut pro městský autobus. Původně naftový motor, který byl upraven pro provoz na DME s mazivostní přísadou Lubrizol LZ539, byl vybaven palivovým systémem s tlakovým zásobníkem „Common rail“, vstřikovací tlak 30 MPa. V autobusu je DME uložen v pěti nádržích o celkovém objemu 690 litrů, využitém z 80 %. Nádrž na páry DME má objem 180 litrů.

Výroba DME

Surovinou pro výrobu DME může být mj. i biomasa, jejímž zplyňováním vzniká syntézní plyn, tj. směs vodíku a oxidu uhelnatého, a ten lze pak různými technologiemi konvertovat na DME. K získání 1 tuny DME se spotřebují přibližně 3 tuny dřevní hmoty.

Obr. 2: Molekula DME

Závěr

ETBE může posloužit jako náhrada za MTBE v benzinech. Na provozních parametrech motoru se taková náhrada neprojeví.

DME je vhodným palivem pro vznětové motory a lze ho považovat za jednu z perspektivních náhrad nafty. Přechod na palivo DME vyžaduje poměrně složité a nákladné palivové příslušenství, původní kompresní poměr naftového motoru zůstane zachován. Výkonové parametry motoru na DME mohou být stejné jako v případě naftového motoru. V porovnání s naftovým motorem produkuje motor na DME výrazně nižší emise oxidů dusíku a pevných částic. Nároky na transport, uskladnění, distribuci a na bezpečnost jsou u DME podobné jako v případě LPG pro zážehové motory.

Využití DME jako paliva pro vznětové motory je stále ve stádiu vývoje, experimentálního ověřování a realizací demonstračních projektů.

Obr. 3: Vozidlo VOLVO s motorem na DME

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