Provoz traktorového motoru na CNG nebo bioplyn

Práce spalovacího motoru je získávána spalováním některého z dostupných paliv. Mimo konvenčních kapalin ropné destilace lze (také) využít palivo získané z biologických zdrojů. Tato paliva jsou označována souhrnně jako biopaliva. Jednou z variant je provozovat motor na plynné palivo bioplyn nebo CNG (Compressed Natural Gas).

Možnost využít bioplyn jako paliva traktorového motoru nabízí nový projekt u modelu Steyr 6195 CVT. Zde se proto nabízí možnost využívat produkci bioplynu, nejenom v kogeneračních jednotkách, ale také u traktorů

Bioplyn jako biopalivo

Bioplyn představuje směs plynů, která obsahuje zpravidla 55 až 75 % metanu CH4 (hlavní zdroj výhřevnosti paliva), 25- 45 % oxidu uhličitého CO₂ a 1 až 3 % minoritních plynů, např. dusík N₂, vodík H₂, sulfan H₂S ale také vodní páru^{4, 11}. Zdrojem sulfanu není samotný proces výroby bioplynu, ale pochází již ze zdrojového materiálu ve zpracovávané biomase¹¹, Složení tzv. suchého bioplynu bez obsahu vodní páry je uveden v tab.1.

Tab.1 - Chemické složení a vlastnosti bioplynu⁴

Charakteristika	Metan CH4	Oxid uhličitý CO2	Vodík H2	Sulfan H2S	Bioplyn 60% CH4 40% CO2
Objemový podíl (%)	55 - 70	27 - 47	1	3	100
Výhřevnost (MJ/m3)	35,8	-	10,8	22,8	21,5
Hranice zápalnosti (obj. %)	5 - 15	-	4 - 80	4 - 45	6 - 12
Zápalná teplota (°C)	650 - 750	-	585	-	650 – 750
Hustota (kg/m3)	0,72	1,98	0,09	1,54	1,2

Využití bioplynu jako paliva pro pohon spalovacích motorů se využívá jednak v rámci kogeneračních jednotek (spalovací motor pohání generátor – výroba elektřiny při současném využití tepelné energie chladicí kapaliny spalovacího motoru), což je nejrozšířenější využití³ a jednak pro pohon spalovacích motorů u mobilních strojů. Vzhledem k nízké rozšířenosti bioplynových stanic a potřebě úpravy kvality bioplynu pro použití u motorových vozidel lze většinou využívat také zemní plyn tzn. CNG (Compressed Natural Gas – stlačený zemní plyn) jehož zásoby podle odhadů vydrží do roku 2060^{11, 15} a z environmentálního hlediska je nejvhodnější z fosilních paliv⁹.

Úprava motoru

Používání bioplynu pro pohon spalovacích motorů vyžaduje jeho úpravu, která spočívá v sušení (odstraňování vodní páry), čištění od mechanických nečistot, odsíření (odstraňování sulfanu H₂S) a zvyšování jeho výhřevností zvětšením koncentrace CH₄ na více než 90 % (Švédská norma SS 155438 pro bioplyn uvádí 97 %, SAE J1616 uvádí pro CNG minimálně 95 %) snižováním podílu CO₂.V podstatě by se mělo dosáhnout kvality zemního plynu. Tím ale dochází k dalšímu zvyšování energetické náročnosti výroby, která dle1 tvoří 5 % energie obsažené v bioplynu.

V současné době se používá jako palivo u osobních a dodávkových automobilů, nákladních vozidel (sběrné vozy odpadu) a autobusů (MHD), které se pohybují v lokalitách s velkou koncentrací obyvatelstva s cílem eliminovat množství pevných částic v uzavřených aglomeracích. Právě jejich spalovací motory se svými parametry přibližují nastavení spalovacích motorů zemědělských strojů, jak velikostí točivého momentu, tak rozsahem otáček. Motory pro tato vozidla jsou většinou modifikované vznětové motory, dodávané přímo výrobci spalovacích motorů. Neuplatňují se zde možnosti přestaveb jako u osobních automobilů.

Nižší obsah škodlivin

Použitím plynných paliv se snižuje množství škodlivých výfukových plynů, jestliže se vytvoří vhodné podmínky pro spalování¹⁶. Při výrobě bioplynu z výkalů hospodářských zvířat je produkce CO₂ v porovnání s motorovou naftou až o 180 % nižší, uvažuje-li se i účinek metanu (výrazně větší vliv na skleníkový efekt než CO₂, ve stratosféře vytváří CO₂ a vodu⁴, který se samovolně uvolňuje při skladování kejdy³.V průměru to může obnášet 1,6 kg CH₄ na tunu výkalů prasat při jeho skladování po dobu 15 dnů¹⁶.

Redukce CO₂ při spalování ve spalovacích motorech se snižuje o 20 až 25 % ve srovnání s motorovou naftou díky jednoduší chemické struktuře CNG (metanu CH₄), podíl uhlíku a vodíku je příznivější než například u nafty (C₁₅H₃₂)^{5, 6, 15}. Výsledky měření emisí na přestavěném vznětovém motoru Liaz ML 637 pro provoz na zemní plyn s označením ML 637 NGS (stechiometrické řízení), provedli na Technické univerzitě v Liberci⁸. V tab. 2 jsou uvedeny výsledky měření emisí tohoto motoru ve srovnání s provozem na motorovou naftu a tehdejší platné emisní limity při testu EHK 49 (tzv. třináctibodový stacionární test).

Tab. 2 - Porovnání sledovaných emisí u spalovacího motoru při provozu na motorovou naftu a přestavěného motoru pro provoz na CNG⁹

Emise	EURO III	ML 637 (provoz na naftu)	ML 637 NGS (provoz na CNG)
CO (g/kWh)	2,1	1,6	0,89
NOx (g/kWh)	5,0	6,6	0,03
PM (g/kWh)	0,1	0,15	0,03
CO2 (g/kWh)	-	745	650
PAH (μg/kWh)	-	810	82
ML 637 NGS – motor spalující CNG, přeplňovaný, 6 válců, zdvihový objem 11,95 dm3, stechiometrické řízení směsi, kompresní poměr 13, oxidační katalyzátor, jmenovitý výkon 175 kW při 2000 ot/min, max. točivý moment 950 N.m při 1500 ot/min

Nižší množství CO₂ vychází z obsahu uhlíku v palivu (tab. 3). V případě CNG dochází ke snižování nákladů na palivo, ve srovnání s automobilovým benzínem o 50 % a u motorové nafty o 30 %⁹. Výhodnější pro plyn je i srovnání z energetického hlediska díky vyššímu obsahu vodíku. 1 kg CNG (distribuovaný v ČR má výhřevnost 34,091 MJ/m³ a hustotu 0,694 kg/m³ za atmosférického tlaku při teplotě 15 °C¹¹ , obdobné parametry má také bioplyn po úpravě) = 49,12 MJ/kg, 1 kg benzínu = 43,5 MJ/kg a 1 kg nafty = 42,5 MJ/kg.

Tab. 3 – Fyzikálně chemické vlastnosti CNG a motorové nafty⁹

Ukazatel	CNG	Motorová nafta
Hustota (kg/m3)	0,694	800 – 845
Výhřevnost (MJ/kg)	46,7	42,5
Teplota vznícení (°C)	650	250
Oktanové číslo (VM)	130	-
Cetanové číslo	-	nad 51
Součinitel přebytku vzduchu λ [kg/kg]	17,2	14,6
Bod varu (°C)	-162	160-360
Výparné teplo (kJ/kg)	555	180
Meze hořlavosti (% hm.)	5 - 15	0,6 – 6,5
Obsah uhlíku C (%)	74,25	86
Obsah vodíku H (%)	24,75	14

Traktor Steyr na bioplyn

Traktor Steyr 6195 CVT je vybaven standardně šestiválcovým vznětovým motorem o objemu 6,6 l s palivovou soustavou Common Rail. Snaha hledat řešení pro snižování nákladů na provoz traktoru směřuje také do oblasti, využívání jiných druhů paliv než je motorová nafta. Přitom je také cílem omezovat negativní účinky provozu vznětového motoru na životní prostředí. Jedním z takových řešení je varianta provozu traktoru na plynné palivo jako je tomu u modelu Steyr 6195 CVT.

Spalovací motor je provozován v tzv. bivalentním režimu, neboli současně se do spalovacího prostoru přivádí plynné a kapalné palivo. Kapalné palivo slouží k iniciaci vznícení, neboť plynné palivo má vysokou teplotu vznícení a běžnou kompresí tzn. tlakem a teplotou ve spalovacím prostoru by nedošlo k jeho zapálení. Druhá varianta provozu vznětového spalovacího motoru se označuje jako monovalentní, neboli motor lze provozovat, buď na motorovou naftu, nebo plyn resp. jiný druh paliva.

Traktor Steyr 6195 CVT je vybaven přestavbou motoru na provoz s CNG (compressed natural gas), případně bioplynem, která se týká jen vnějších komponentů, podobně jako u přestaveb spalovacích motorů osobních automobilů. Blokové schéma palivové soustavy na CNG, spalovacího motoru z nákladního automobilu Volvo, se skládá z podobných komponentů, které se používají u traktoru Steyr.

Palivová soustava

Základ palivové soustavy tvoří zásobník, ve kterém je plyn udržován pod tlakem přibližně 20 MPa. U traktoru Steyr mohou být tlakové láhve umístěny v mobilním nosiči, uchyceném na předním TBZ nebo případně zadním TBZ. Pro zvýšení doby provozu se umísťují i do spodní části traktoru. V nosiči pro TBZ se nachází šest lahví s celkovým objemem 50 l. V nosiči umístěném ve spodní části traktoru se nachází devět 22 litrových a jedna 16 litrová láhev. Všechny tlakové lahve jsou vyrobeny z oceli. Plnění lahví je možné provádět přes plnící stanice CNG nebo přímo z domovní přípojky (domovní čerpací stanice) při nižším tlaku než u plnící stanice. Tím se prodlužuje doba plnění, která probíhá obvykle přes noc. Mimo CNG lze používat bioplyn s vysokým obsahem metanu na úrovni 95- 97 %. To znamená, že bioplyn z běžné produkce bioplynových stanic není vhodné přímo používat, neboť obsahuje 55 až 70 % metanu a proto se musí ještě „čistit“, aby se zvýšila koncentrace metanu. Z tlakových lahví je plyn veden přes zpětný ventil do regulátoru tlaku, ve kterém se snižuje tlak na úroveň 380 kPa. Snížený tlak plynu se přivádí k dávkovacímu ventilu, který je společný pro všechna sací potrubí. Palivová soustava obsahuje dále několik snímačů např. teploty výfukových plynů, otáček spalovacího motoru, tlaku plynu a snímač teploty nasávaného vzduchu. Do řídící jednotky palivové soustavy pro motorovou naftu nebylo zasaženo.

Činnost řídicí jednotky

Úkolem řídící jednotky motoru je mimo jiné zajišťovat funkci výkonnostního regulátoru tzn. dávkou paliva udržovat konstantní otáčky při rostoucím zatížení neboli, zvyšujícím točivém momentu. Pro tento typ regulace potřebuje řídící jednotka dva parametry: polohu plynového pedálu a otáčky motoru. Samozřejmě existují další korekční konstanty na teplotu a tlak paliva a tlak v sacím potrubí. Pokud je standardní palivový systém doplněn o „druhou“ palivovou soustavu, v případě traktoru Steyr o plyn, dochází k jeho dávkování do sání a zvyšování obsahu energii paliv přivedených do spalovacího prostoru. Řídící jednotka standardní palivové soustavy pozná, že pro udržení stávajících otáček motoru může snížit vstřikované množství motorové nafty. Množství přiváděného plynu vychází z úplné charakteristiky motoru s detailním rozborem vstřikovaného množství paliva v závislosti na otáčkách motoru a velikosti točivého momentu. Uvedená charakteristika byla změřena v laboratorních podmínkách a uložena do řídící jednotky palivové soustavy s plynem. Na základě těchto dvou parametrů, tedy otáček motoru a velikosti spotřeby paliva lze přesně stanovit zatížení motoru a podle toho i množství dávkovaného plynu. Plyn je přiváděn pouze v oblasti charakteristiky mimo vnější obalovou křivku, aby nedocházelo k přehřívání spalovacího motoru.

Při porovnávání chemicko-fyzikálních vlastností obou paliv má CNG vyšší energetický obsah než motorová nafta o 15 %, ale nevýhodnou měrnou hmotnost. Proto je nutné udržovat plyn pod vysokým tlakem v zásobnících. Přímé použití CNG není u motoru možné vzhledem k nulové hodnotě cetanového čísla a vysoké teplotě vznícení. Tyto dva parametry jsou v podstatě klíčové pro vznícení paliva.

Z ekologického hlediska je přínosné každé palivo, které obsahuje co nejméně uhlíku, neboť ten tvoří během spalování a případně ve výfukovém potrubí sloučeniny jak plynné tzn. CO₂, CO, tak pevné tzn. pevné částice.

Možné problémy souvisí i s tím, že palivo je v plynné fázi a proto není třeba energie k jeho přechodu z kapalného do plynného stavu, jako je tomu u motorové nafty. Podíl motorové nafty během provozu může klesnout na úroveň 40 %. Startování probíhá vždy na motorovou naftu.

Další projekt v Německu

Využití zkapalněného bioplynu není nic nového: Pro provoz traktorového motoru u traktoru Zetor 12011 bylo kdysi zkoušeno i ve VÚZT v Praze. Motor byl startován na motorovou naftu a při zvýšené potřebě výkonu byl se ve směšovači do nasávaného vzduchu přidával bioplyn⁴. Výzkum v této oblasti probíhal i v tehdejší NDR s např. traktorem ZT 300 s připevněnými tlakovými lahvemi na boku a s kryogenní nádrží kapalného metanu před kabinou¹⁴.

Další projekt týkající se využívání plynných paliv nyní probíhá v Německu na Technické univerzitě Brandenburgu. Cílem je nejenom využívat spalovací motor traktoru pro provoz na plynná paliva, ale také zlepšit jeho využívání během zimního období. Projekt je proto zaměřen i na využívání traktoru jako stacionárního zdroje energie pro výrobu tepla a elektrické energie, podobně jako kogenerační jednotky u kterých samostatný spalovací motor pohání elektrický generátor za účelem výroby el. energie dodávané do sítě a tepelná energie z chladící soustavy spalovacího motoru se využívá přes výměník k např. vytápění objektů. Celá výrobní jednotka je nastavená tak, aby motor mohl pracovat v oblasti s nejvyšší účinností. Palivem pro provoz je bioplyn s přidáváním vznětlivého prvku, kterým je motorová nafta, biodiesel nebo řepkový olej. Traktor je během stacionárního provozu uzavřen v kontejneru kvůli hluku.

Výhody a nevýhody CNG a bioplynu

Výhody

• nižší produkce emisí CO₂, CO a pevných částic
• nižší náklady na palivo, - menší závislost na motorové naftě
• vyšší soběstačnost při vlastní produkci bioplynu
• není třeba sledovat teploty provozních náplní, aby se mohl použít plyn
• nedochází k ředění motorového oleje, - nesnižuje se interval výměny motorového oleje
• nižší cena: 1 kg CNG stojí 21-25 Kč, 1 kg nafty (při ceně 30 Kč/l) stojí 36 Kč.

Nevýhody

• nutnost vybavit spalovací motor komponenty pro provoz na plyn
• v případě bioplynu je nutné investovat do „čištění“
• nutnost doplnění tlakových nádrží na plyn

Tweet

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