Wykorzystanie alkoholi do zasilania silników spalinowych

Transkrypt

1 Udział biopaliw % energetycznie STELMASIAK Zdzisław 1 Wykorzystanie alkoholi do zasilania silników spalinowych WSTĘP W ostatnim pięćdziesięcioleciu w motoryzacji wykorzystywano konwencjonalne paliwa, głównie ropopochodne. Szybki rozwój tego sektora po drugiej wojnie światowej, a szczególnie dynamiczny rozwój rynku azjatyckiego (Chiny, Indie, Tajlandia, Malezja) wskazały na zagrożenia wynikające z ograniczonych zasobów ropy naftowej, ale również innych konwencjonalnych surowców energetycznych, które mogą być przystosowane do zasilania silników tłokowych. Z tego powodu w wielu rejonach świata zwrócono w ostatnich dekadach uwagę na odnawialne źródła energii, w tym na biopaliwa silnikowe. Wynika to z faktu, że do produkcji energii (również paliw) można wykorzystywać odnawialne nośniki energii takie jak wiatr, energię słoneczną, biomasę czy biogazy. Istotnym czynnikiem sprzyjającym temu zainteresowaniu jest ochrona środowiska przed zanieczyszczeniami motoryzacyjnymi, a szczególnie zmniejszenie emisji CO 2. Spalanie paliw konwencjonalnych powoduje emisję CO 2 zaabsorbowanego do naturalnych surowców energetycznych w procesach ich tworzenia. Natomiast wykorzystywanie paliw odnawialnych zawierających w swym składzie atomy węgla, produkowanych z biomasy uwalnia podczas spalania CO 2, który następnie jest absorbowany w procesie fotosyntezy przy tworzeniu biomasy. Z tego powodu, przy odpowiednim procesie technologicznym produkcji biopaliw, mogą być one traktowane w aspekcie CO 2 jako zero emisyjne. Przedstawione wyżej fakty były powodem wprowadzenia odpowiedniej polityki początkowo w Unii Europejskiej, a następnie w Polsce. Obowiązek użycia w transporcie biopaliw lub innych paliw odnawialnych wynika z dyrektywy 23/3/WE uchwalonej przez Unię Europejską 8 marca 23 r. W Polsce obowiązek ten nakłada ustawa z dn r. o biokomponentach i biopaliwach ciekłych. Wprowadza ona obowiązek realizacji tzw. Narodowych Celów Wskaźnikowych (NCW) zakładający stopniowy wzrost udziału biopaliw w całości paliw sprzedawanych na rynku, rys ,45 4,6 5,75 6,2 6,65 7,1 7,1 7,1 7, Rys. 1. Wzrost udziału biopaliw zgodnie z NCW (Narodowe Cele Wskaźnikowe): opracowanie własne na podstawie [17] Realizacja NCW zgodnie z rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia zakłada w roku 215 obowiązek 7,1% dodatku biopaliw do całości oferowanych paliw ciekłych. Docelowy udział biopaliw w roku 22 powinien osiągnąć poziom 1%, co już obecnie jest realizowane w USA. W warunkach krajowych wymaga to bardzo istotnych zmian struktury produkcji rolnej, rozwoju technologii produkcji biopaliw, budowy nowoczesnych zakładów i opracowania nowych technologii 7,8 8,5 1 1 Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Tel.: (33) , zstelmasiak@ath.bielsko.pl 15

2 Udział energetyczny paliw silnikowych w 21r. [ % ] zasilania silników oraz zmian przepisów (w zakresie podatku akcyzowego i dotowania produkcji rolnej). Analiza paliw zużywanych obecnie w kraju pokazana na rys. 2 wskazuje na znaczącą przewagę paliw płynnych benzyny i oleju napędowego w całości paliw silnikowych (84,6%). Przy komponowaniu tych dwóch paliw muszą być zatem dodawane również płynne biopaliwa. Uwzględniając fakt, że LPG pochodzi z przeróbki ropy naftowej aż 97,2% (energetycznie) paliw zużywanych w Polsce jest ropopochodnych. 7 63, ,2 2 12,6 1 1,4 1,4 benzyna olej napędowy LPG etanol metanol Rys. 2. Struktura zużycia paliw silnikowych w Polsce w 21 r. przeliczonych na wartości energetyczne [16] Do podstawowych biopaliw płynnych należą alkohole (stosowane obecnie głównie w silnikach o zapłonie iskrowym) i estry nienasyconych kwasów tłuszczowych stosowane do zasilania silników o zapłonie samoczynnym (w kraju produkowane z rzepaku). Alkohole proste metylowy i etylowy mogą być dodawane zarówno do benzyn jak i olejów napędowych. Mogą przy tym stanowić zarówno paliwo zasadnicze jak i dodatek poprawiający spalanie paliw węglowodorowych. Obydwa alkohole mogą być z powodzeniem produkowane z biomasy, która w niektórych regionach świata może być pozyskiwana w bardzo dużych ilościach (Brazylia, Indie, USA). Biomasa corocznie ulega odtworzeniu, a w przyrodzie ulega naturalnemu rozkładowi czemu towarzyszy wydzielanie dwutlenku węgla CO 2 i metanu CH 4, gazów zaliczanych do tzw. gazów cieplarnianych. Zastosowanie biomasy do produkcji biopaliw sprzyja zatem nie tylko zmniejszeniu emisji CO 2 ale również naturalnej emisji CH 4 co powinno być w analizach opłacalności uwzględniane. Z wymienionych alkoholi prostych, alkohol metylowy charakteryzuje się większą agresywnością w stosunku do metali lekkich, gum i tworzyw sztucznych powszechnie stosowanych w samochodach. Ponadto jest związkiem silnie toksycznym, co stanowi istotne zagrożenie zarówno dla obsługi jak i środowiska. Z wymienionych powodów w warunkach krajowych jego zastosowanie, mimo bardzo korzystnych własności z punktu widzenia zastosowań silnikowych, jest ograniczone do niewielkich ilości wynikających z konieczności uzyskania określonych własności paliw. Warto również zaznaczyć, że całość metanolu zużywanego obecnie w przemyśle chemicznym i paliwowym pochodzi z importu, chociaż w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku byliśmy jego znaczącym producentem i eksporterem (Zakłady Chemiczne w Oświęcimiu). Wymienione wyżej cechy metanolu powodują, że w warunkach krajowych głównym biopaliwem wykorzystywanym w komponowaniu benzyn jest alkohol etylowy C 2 H 5 OH dodawany w postaci: odwodnionego alkoholu C 2 H 5 OH, eteru etylo-tert-butylowego EETB, eteru metylo-tert-butylowego EMTB. Do produkcji obydwu eterów wykorzystywane są alkohole etylowy i metylowy. Nie bez znaczenia na pozycję bioetanolu w Polsce mają uwarunkowania historyczne, bowiem Polska od dawna była znaczącym producentem etanolu na świecie, niestety również znaczącym konsumentem etanolu spożywczego (obecnie czwarte miejsce po Rosji, Ukrainie i USA [8]). Warunki stosowania bioetanolu w Polsce regulują dwa zasadnicze akty prawne: Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia dotyczące wymagań jakościowych paliw ciekłych zawierających domieszkę 5% etanolu lub 15% eteru etylo-tert-butylowego, 16

3 Zużycie benzyny w transporcie [tys. ton] Zużycie etanolu w tranporcie [tys.ton] Rozporządzenie Ministra Gospodarki dotyczące wymagań jakościowych dla biopaliw ciekłych B1, B2 oraz benzyn zawierających 7-85% bioetanolu (E85). Popyt rynku krajowego odzwierciedla również asortyment produkcji paliw przez głównego producenta paliw w Polsce PKN ORLEN, rys. 3a. Wynika z niego, że w PKN ORLEN w 29 r. wyprodukowano ponad dwukrotnie więcej oleju napędowego w stosunku do benzyny. Równocześnie 99% benzyn zawierało dodatki bioetanolu lub pochodnych etanolu (64% benzyny alkoholowe i 35% benzyny eterowe). a) b) Struktura paliw produkowanych przez PKN ORLEN w 29 r. Benzyna 31% Bioester B1 1% Olej napędowy 68% Struktura benzyn produkowanych przez PKN ORLEN w 29 r. Benzyny eterowe 35% Benzyny alkoholowe 64% Rys. 3. Struktura paliw produkowanych przez PKN ORLEN w 29 r.: opracowanie własne na podstawie [6] Benzyny są zużywane w transporcie samochodowym, głównie przez samochody osobowe, co stwarza określone problemy w ich komponowaniu i dystrybucji oraz szczególne wymogi trwałościowe paliw ograniczające udział bioetanolu w benzynach. Zużycie benzyn w transporcie krajowym w ostatniej dekadzie nieznacznie maleje (rys. 4a), co wynika ze wzrastającego udziału samochodów osobowych z silnikami o zapłonie samoczynnym i wzrostu ilości samochodów zasilanych LPG. Równocześnie jednak obserwowany jest stopniowy wzrost zużycia bioetanolu (rys. 4b), co wynika z konieczności realizacji wymogów NCW. a) b) Benzyny bez biokomponentów 1% Rys. 4. Zużycie benzyn i alkoholu w transporcie krajowym: opracowanie własne na podstawie [1] Obecnie dodatek bioetanolu w benzynach alkoholowych nie przekracza 5% V/V co wynika ze zjawiska rozwarstawiania się benzyny i etanolu w niskich temperaturach i w obecności wody, rys. 5. Zwiększenie zawartości bioetanolu w benzynach wymaga stosowania etanolu bezwodnego (co znacznie podraża jego koszty) lub jego pochodnej eteru etylo-tert-butylowego co dodatkowo pogarsza ekonomiczność stosowania biopaliw

4 Zawartść bioetanolu w benzynie [% v/v] Rys. 5. Zawartość bioetanolu w benzynach Lotos: opracowanie własne na podstawie [2] 1 ALKOHOLE JAKO PALIWA SILNIKOWE Stosowanie alkoholi do zasilania silników tłokowych ma ponad stuletnią tradycję, bowiem datuje się od roku 198, kiedy to rozpoczęto sprzedaż popularnego Forda T przystosowanego do zasilania benzyną lub alkoholem. W związku z tym samochód ten może być uznany jako pierwszy pojazd z silnikiem typu flexi-fuel. W okresie międzywojennym alkohole wykorzystywano jako komponenty paliw benzynowych i benzynowo-eterowych dla silników lotniczych i wysilonych silników sportowych. Wynikało to z korzystnych cech alkoholi, dużej odporności przeciwstukowej (liczba oktanowa etanolu LOB=112 i metanolu LOB=115) oraz wysokiego ciepła parowania co powoduje polepszenie napełnienia silnika i zmniejszenie obciążenia cieplnego elementów komory spalania. Istotny wzrost wykorzystania alkoholi nastąpił w okresie II wojny światowej i bezpośrednio po niej, co wynikało z niedostatku paliw ropopochodnych. W Polsce w roku 1928 z ogólnej ilości produkowanego etanolu 2% przeznaczono na paliwa silnikowe, a w roku 1938 udział ten wzrósł aż do 5% (wykorzystano 22.6 m 3 etanolu) [5]. Również w okresie powojennym wiele samochodów w Polsce było zasilanych alkoholem lub mieszaninami zawierającymi alkohol etylowy. Warto zaznaczyć, że w Rafinerii Trzebinia do 1956 r. produkowano trójskładnikowe paliwo BAB benzol-etanol-benzyna) zawierające 2% benzolu i 2% etanolu. Odkrycie dużych złóż ropy naftowej w Azji i w krajach arabskich oraz wyjątkowo niskie ceny ropy spowodowały stopniowe zmniejszanie zapotrzebowania na paliwa zawierające domieszki alkoholu. Dopiero kryzys paliwowy lat 7-siątych ubiegłego wieku i związany z tym znaczny wzrost cen ropy naftowej oraz wymogi ochrony środowiska, a szczególnie emisji CO 2, spowodowały ponowne zainteresowanie alkoholami. Znacząca produkcja alkoholu do celów paliwowych rozpoczęła się w połowie lat 7-siątych, w Brazylii w 1975 r. i USA w Rozwój technologii produkcji etanolu spowodował, że obecnie kraje te produkują około 7% światowego bioetanolu, rys. 6. Warto przy tym zaznaczyć, że większość produkowanego w tych krajach etanolu przeznaczana jest na cele paliwowe (95% w Brazylii i 6% w USA), rys. 7. Stosowane udziały bioetanolu w benzynach USA na poziomie 1% powodują, że kraj ten mimo dużej produkcji importuje bioetanol, głównie z Brazylii [19]. Również spełnienie wymogów dyrektywy 23/3/WE będzie wymagało importu bioetanolu przez Unię Europejską, głównie z rynków azjatyckich [19]. 18

5 Produkcja bioetanolu [tys. ton] Wykorzystanie etanolu jako paliwo silnikowe [%] Produkcja roczna [mln m3] , ,76 4,8 Produkcja ogółem USA + Brazylia Azja Europa Reszta św iata,64,27 Rys. 6. Produkcja bioetanolu w wybranych rejonach świata: opracowanie własne na podstawie [4, 2, 21] Polska Brazylia USA UE Polska Rys. 7. Wykorzystanie bioetanolu jako paliwa silnikowego: opracowanie własne na podstawie [3, 6, 2] 12 Świat ogółem 8 4 USA Brazylia UE Lata Rys. 8. Produkcja bioetanolu na świecie i w wybranych państwach: opracowanie własne na podstawie [3] Produkcja bioetanolu na świecie wykazuje w ostatnich latach większą dynamikę wzrostu w stosunku do poziomu produkcji w państwach, które dotychczas uważane były za największych producentów, rys. 8. Powoduje to, że coraz większe obszary przeznaczane są pod uprawy rolne, co budzi w niektórych regionach świata pewne kontrowersje społeczne. Ponadto w najbiedniejszych krajach pod uprawy rolne wycinane są lasy równikowe będące największymi odbiorcami dwutlenku węgla w procesie asymilacji. Podnoszony jest zatem argument, że stosowanie biopaliw powoduje 19

6 Produkcja biokomponentów [tys. ton] Zużycie bioetanolu w Polsce [tys. m3] wprawdzie zmniejszenie emisji CO 2 w sektorze motoryzacyjnym, ale może prowadzić do globalnego wzrostu emisji CO 2 wskutek zmniejszania się terenów zielonych. Powody te mogą ograniczać tempo wprowadzania biopaliw pozyskiwanych z produktów rolnych. Pewną szansą na ograniczenie negatywnego odczucia społecznego związanego z wprowadzaniem biopaliw może mieć bioetanol II generacji produkowany z celulozy lub biogazy wytwarzane ze ścieków i odpadów. Wśród państw Uni Europejskiej największymi producentami bioetanolu są Francja, Niemcy i Hiszpania produkujące łącznie ok. 6% etanolu i jego pochodnych, rys. 9. Polska znajduje się na szóstym miejscu z udziałem 6%. Warto zwrócić uwagę na odległą pozycję Włoch z udziałem 2% mimo dużej liczby ludności i bardzo silnie rozwiniętego sektora motoryzacyjnego. Włochy 2% Austria 3% Węgry 3% Szwecja 4% Polska 6% Wielka Brytania 7% Pozostałe kraje 16% Hiszpania 1% Francja 31% RFN 18% Rys. 9. Udział państw UE w produkcji bioetanolu: opracowanie własne na podstawie [15] W warunkach krajowych spełnienie wymogów NCW związane jest ze znacznym importem bioetanolu, ciągle zwiększającym się w ostatnich latach, rys. 1. Wynika to ze zbyt powolnego wzrostu produkcji krajowego bioetanolu (rys. 11) nienadążającej z wymaganiami przewidzianymi w NCW. Ponadto zmieniające się przepisy podatkowe i ceny surowców powodują zmniejszenie rentowności produkcji co wywołuje wahania w rocznej produkcji bioetanolu, rys. 11. Ogółem Destylat krajowy Imort % udział destylatu krajowego Rys.1. Dynamika zużycia bioetanolu jako paliwa silnikowego w Polsce w latach 24-29: opracowanie własne na podstawie [5]; liczby oznaczają procentowy udział destylatu krajowego Produkcja łącznie Bioetanol Estry Rys. 11. Produkcja bioetanolu w Polsce w latach : opracowanie własne na podstawie [3] 11

7 Bioetanol [tys. m3] Procentowy udział bioetanolu krajowego [%] Całkowita produkcja bioetanolu w Polsce w 27 roku była wyższa o ok. 32,7% od zapotrzebowania paliwowego, rys. 12. Jednak w następnych latach, mimo niewielkich zmian w potencjale produkcyjnym, ilość bietanolu wprowadzanego do obrotu zmniejszyła się do wartości 56,3% w roku 29 w stosunku do zapotrzebowania paliwowego, a w ostatnich latach uległa dalszemu zmniejszeniu [3]. Reszta zapotrzebowania była pokrywana bioetanolem pochodzącym z importu. Wynika to ze stosunkowo wysokich cen krajowego destylatu etanolowego. Jest to niezrozumiałe bowiem Polska jest krajem rolniczym z wiekowymi tradycjami produkcji etanolu Bioetanol wprowadzony do obrotu Bioetanol wytworzony w kraju Import % udział produkcji krajowej 132, ,7 56, Rys. 12. Bioetanol paliwowy wprowadzony do obrotu w Polsce w latach 27-29: opracowano na podstawie [5] Etanol w Polsce jest wytwarzany w procesie fermentacji konwencjonalnej z surowców roślinnych jak zboża, ziemniaki, melasa, owoce. Proces fermentacji jest znany ludzkości od dawna, jako beztlenowy rozkład cukrów przez drożdże i ich enzymy. Ogólne równanie fermentacji alkoholowej ma postać: C 6H12O6 2C2H 5OH 2CO2 29,3kJ / mol (1) Ciepło wydzielające się podczas reakcji (1) przyspiesza proces. W wyniku fermentacji powstaje również szereg produktów ubocznych jak kwas octowy, wyższe alkohole, estry, gliceryna. Ich zawartość i skład decydują o walorach smakowych alkoholu, jednak z uwagi na małą zawartość nie mają znaczenia w zastosowaniach paliwowych. Surowce wykorzystywane w fermentacji można podzielić na trzy grupy: zawierające cukry melasa, trzcina cukrowa, owoce, soki, zawierające skrobię ziemniaki, żyto, jęczmień, pszenica, kukurydza, zawierające celulozę drewno, słoma, kolby kukurydzy, odpady roślinne, śmieci. Produkty zawierające cukry i skrobię są wykorzystywane do produkcji bioetanolu I generacji i etanolu do celów spożywczych. Produkty zawierające celulozę mogą być stosowane do produkcji bioetanolu II generacji. Technologie te są w chwili obecnej intensywnie rozwijane w takich krajach jak USA, Kanada, Szwecja, Dania, Norwegia. Z uwagi na warunki klimatyczne w Polsce podstawowymi surowcami do produkcji etanolu mogą być ziemniaki i zboża. Mimo, że największą wydajność etanolu z hektara można uzyskać z ziemniaków, to jednak z uwagi na trzykrotnie mniejszą zawartość skrobi i aktualne relacje cenowe, koszty surowca ziemniaczanego odniesione do jednostki czystego alkoholu są ponad dwukrotnie wyższe od zbóż. Z tego powodu w gorzelniach wykorzystuje się głównie zboża (żyto, pszenicę, jęczmień) co widoczne jest wyraźnie na rys

8 Produkcja alkoholu etylowego [mln dm3] 3 25 Zboża Melasa Ziemniaki Inne Rys. 13. Produkcja alkoholu etylowego z surowców w gorzelniach rolniczych w latach : opracowanie własne na podstawie [13] Na cenę bioetanolu wpływa nie tylko cena surowca ale również warunki, w których jest on wytwarzany. W Polsce bioetanol jest produkowany głównie w gorzelniach rolniczych o przestarzałych technologiach, małej wydajności, z uwagi na lokalną podaż surowca pracujących niekiedy okresowo. Gorzelnie te w większości nie posiadają instalacji odwadniania, zatem destylat surowy musi być przewożony do zakładów odwadniających co powoduje straty energetyczne i wzrost kosztów. Relacje cenowe surowca (ceny zbóż wykazują ciągłą tendencję wzrostową) i warunki produkcji powodują, że koszt wyprodukowania krajowego bioetanolu jest wyższy od importowanego, co niekorzystnie wpływa na rozwój branży gorzelniczej, prowadząc do stopniowego zmniejszania liczby czynnych i rentownych gorzelni, rys. 14. Warto zaznaczyć, że przed II wojną światową w Polsce było czynnych ok. 12 gorzelni, a pod koniec lat 8-siątych prawie 96 [7]. Podjęte przez państwo po 25 r. działania polegające na modernizacji niektórych gorzelni, budowie nowoczesnych zakładów stosujących energooszczędne technologie produkcji bioetanolu metodą zacierania na zimno i wyposażone w instalacje odwadniające (metoda jednofazowa, destylat zawierający 99,8% etanolu) niewiele w tej sytuacji zmieniły. Nadal obserwuje się dominację biopaliw importowanych, co powoduje kłopoty ekonomiczne sektora bioetanolu i prowadzi do zamykania kolejnych gorzelni rolniczych Rys. 14. Liczba czynnych gorzelni w Polsce w latach : opracowano na podstawie danych [13] Istotnym i bardzo przyszłościowym zagadnieniem jest rozwój technologii produkcji bioetanolu II generacji, wykorzystujących surowce zawierające celulozę, rys

9 Rys. 15. Schemat otrzymywania bioetanolu II generacji W fermentacji etanolu II generacji wykorzystywana jest glukoza powstająca w wyniku enzymatycznej hydrolizy celulozy i hemicelulozy zawartych w produktach roślinnych. Surowce roślinne składają się z głównych trzech frakcji: celulozowej (4 55%), hemicelulozowej (24 4%) i ligninowej (18 25%) [13]. Podane zawartości procentowe dotyczą udziałów w suchej masie surowca. Zarówno celuloza jak i hemiceluloza zbudowane są z długołańcuchowych polisacharydów, które mogą być hydrolizowane do mieszaniny pentoz i hektoz a następnie poddane fermentacji alkoholowej. Celuloza i hemiceluloza mogą być hydrolizowane enzymatycznie lub przy pomocy roztworów rozcieńczonych i stężonych kwasów, przy czym proces hydrolizacji hemicelulozy jest łatwiejszy od hydrolizacji celulozy. Natomiast hydrolizacja ligniny jest procesem bardzo skomplikowanym ze względu na liczne wiązania eterowe i węglowe typu C-C. Z tego powodu z technicznego punktu widzenia frakcja ligninowa nie jest wykorzystywana do produkcji bioetanolu II generacji i stanowi pozostałość procesową (masa sucha). Z przedstawionej analizy wynika, że produkty roślinne zawierają średnio ok. 6 75% frakcji celulozowych przydatnych do procesu fermentacji, co z uwagi na znaczne ilości biomasy odtwarzalnej corocznie rokuje na poważną podaż etanolu celulozowego w przyszłości. Obecnie koszt produkcji etanolu celulozowego jest prawie dwukrotnie wyższy od produkowanego tradycyjnie, jednak rozwój technologii produkcji powinien obniżyć te relacje już w niedalekiej przyszłości. Alkohole ze względu na swoje doskonałe własności, przede wszystkim wysoką liczbę oktanową, duże ciepło parowania i dużą szybkość spalania, mogą być z powodzeniem stosowane zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym (jako paliwa samoistne lub dodatki do paliw tradycyjnych) oraz w silnikach o zapłonie samoczynnym jako dodatki spalane równocześnie z olejem napędowym. Porównanie własności paliw tradycyjnych i alkoholi przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Własności paliw ropopochodnych i alkoholi [18] Własność Benzyna Olej napędowy Alkohol metylowy CH 3 OH Alkohol etylowy C 2 H 5 OH Liczba oktanowa Wartość opałowa [MJ/kg] 42,5 43, 19,5 27, Gęstość [kg/dm 3 ],72,76,84,88,796,794 Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza [kg pow/kg paliwa] [nm 3 pow./kg paliwa] 14,9 11,48 14,5 11,15 Wartość opałowa mieszaniny stechiometrycznej [MJ/m 3 ] 3,66 3,83 3,66 3,83 3,86 3,85 Temperatura samozapłonu [K] Ciepło parowania [MJ/kg],26,91 1,18 Granice zapłonu g d,2 1,16,19,98,24 1,92,3 2,6 Wysoka liczba oktanowa alkoholu metylowego i etylowego preferuje te paliwa do zastosowania tych alkoholi jako paliwa samoistnego w silnikach o zapłonie iskrowym, bowiem można zastosować podwyższony stopień sprężania o 1,5 2,5 w stosunku do silników zasilanych benzyną [14, 17]. 6,52 5, 9,6 6,96 113

10 Powoduje to zwiększenie sprawności ogólnej silnika pracującego przy większych obciążeniach, ale również przyspiesza spalanie ładunku przy częściowych obciążeniach, co może przyczyniać się do istotnego zmniejszenia zużycia energii w silnikach trakcyjnych, szczególnie samochodów osobowych, pracujących z zasady przy niewielkich obciążeniach. Duże ciepło parowania alkoholi (dla alkoholu etylowego 4,53 większe od benzyny) stwarza istotne problemy z rozruchem silników w niskich temperaturach. Z tego powodu silniki spalające czyste alkohole, lub mieszaniny z benzyną o dużej zawartości alkoholu, przykładowo E85, muszą w naszej strefie klimatycznej być specjalnie przystosowane do takiego zasilania. Równocześnie jednak duże ciepło parowania może być skutecznie wykorzystane do zmniejszenia temperatury zasysanego ładunku w silnikach iskrowych lub zmniejszenia obciążenia cieplnego doładowanych silników o zapłonie samoczynnym przez wtrysk alkoholu w czasie aktywnego procesu spalania. Masowy udział atomów węgla w cząsteczce alkoholi jest mniejszy w stosunku do paliw tradycyjnych i wynosi odpowiednio dla alkoholu metylowego,375, dla alkoholu etylowego,25 podczas gdy dla benzyny i oleju napędowego stosunek ten wynosi w przybliżeniu,845,85. Uwzględniając jednak różnice w wartościach opałowych uzyskanie tej samej jednostki energii z alkoholi powoduje jedynie nieznaczne, w granicach 2%, zmniejszenie emisji CO 2 w stosunku do benzyny, rys ,2 1,8 1,1 1,3 1,2 benzyna ON metanol etanol,98,98,6,62,61,61,4,45,44,44,2 Wartość opałowa Wartość opałowa mieszaniny stechiometrycznej Zapotrzebowanie powietrza Masowy udział atomów węgla Emisja CO2 Rys. 16. Porównanie wybranych własności paliw ciekłych w jednostkach względnych w stosunku do benzyny: dla benzyny wartości wskaźników wynoszą 1, Przy analizach opłacalności stosowania biopaliw należy uwzględniać nie tylko ceny produkcji jednostki objętości lub masy paliwa ale również wartość opałową w stosunku do paliw ropopochodnych. Ceny bioetanolu w Polsce są zróżnicowane zależnie od źródła i zawierają ceny surowego destylatu i kosztów odwodnienia. Wynoszą one odpowiednio: w roku 29 1,95 zł/dm 3 co stanowi koszt równoważnika energetycznego benzyny 2,84 zł/dm 3, w roku 212 2,6 2,8 zł/dm 3, a cena równoważnika energetycznego benzyny odpowiednio 3,79 4,8 zł/dm 3. Ceny te są znacznie wyższe od cen produkcji bioetanolu w USA, które wg [21] wynoszą: produkcja ze kukurydzy 1,65 $USA/galon co stanowi 1,35 zł/dm 3 oraz równoważnika energetycznego 1,96 zł/dm 3, produkcja z celulozy 2,5 $USA/dm 3 /galon co stanowi 2,6 zł/dm 3 i cenę równoważnika energetycznego 3, zł/dm 3. Po doliczeniu podatku akcyzowego ceny równoważnika energetycznego benzyny będą w przypadku bioetanolu krajowego wyższe o ok. 3% od cen benzyn na stacjach benzynowych, rys. 17. Natomiast ceny bioetanolu produkowanego w USA odpowiednio dla produkowanego ze zboża niższe o ok. 4% i produkowanego z celulozy niższe o ok. 1%. Analiza ta wskazuje, że już w chwili obecnej nie ma żadnych przeciwwskazań ekonomicznych do stosowania bioetanolu jako składnika benzyn, chociaż przejściowo powinien być obniżony podatek akcyzowy ze względu na wysokie koszty produkcji bioetanolu w Polsce. Cena dodatku nie powinna wpływać na wzrost kosztów paliwa, 114

11 Średnia cena [zł] aby nie zniechęcać odbiorców do kupowania benzyn, szczególnie zawierających duże dodatki biopaliw. a) b) Polska 5,39 Średnia cena paliw w Polsce Włochy Wielka Brytania 6,99 6, Słowacja RFN 5,73 5,84 4 5,29 5,56 5,18 Hiszpania 5,68 E95 3 Francja 5,69 ON 2 2,61 2,85 Czechy 5, Ceny paliw [zł] E95 E98 ON LPG CNG Rys. 17. Ceny paliw w niektórych krajach europejskich: a) średnie ceny w 213 r. wg [19], b) średnie ceny w Polsce w 214 r. [23, 24] Porównanie cen paliw w Polsce w stosunku do różnych krajów europejskich pokazane na rys. 17 wskazuje, że ceny krajowe paliw nie odbiegają zasadniczo od cen w innych krajach europejskich. Nie należy zatem przypuszczać, że w nadchodzących latach ceny te ulegną znacznej redukcji, a raczej należy zakładać, że będą one rosły szybciej od cen surowców rolniczych. Rokuje to pozytywnie o opłacalności sektora biopaliw, który powinien być intensywniej rozwijany tak aby zmniejszać koszty produkcji bioetanolu, co wynika z porównania do cen w USA. Rozwój sektora biopaliw powinien być wspomagany przez państwo w perspektywach długofalowych, co najmniej 2-letnich. 2 ALKOHOLOWE ZASILANIE SILNIKÓW PRACUJĄCYCH W SYSTEMACH DWUPALIWOWYCH 2.1 Silniki o zapłonie iskrowym We współczesnych silnikach ZI powszechnie stosuje się wielopunktowy wtrysk paliw lekkich, pośredni do kolektora dolotowego lub bezpośredni do komory spalania. Również takie samo założenie przyjęto przy wyborze silnika do badań i przystosowaniu go do zasilania dwupaliwowego. Badania przeprowadzono na 4-cylindrowym silniku o zapłonie iskrowym z wielopunktowym wtryskiem paliwa Fiat 11 MPI. W celu przystosowania silnika do zasilania dwupaliwowego zastosowano prototypowy kolektor dolotowy z dodatkowymi wtryskiwaczami na każdym cylindrze, rys. 18a. Metanol wtryskiwany był w okolice zaworu dolotowego przez oryginalne wtryskiwacze silnika, natomiast benzyna przez dodatkowe wtryskiwacze oddalone nieco od zaworu dolotowego. Zastosowany układ zasilania umożliwiał pracę na samej benzynie (podczas rozruchu i rozgrzewania silnika), na samym metanolu przy pracy na maksymalnych obciążeniach i w systemie dwupaliwowym o dowolnie dobranym udziale alkoholu. Przeprowadzono szerokie badania porównawcze i optymalizacyjne silnika z prototypowym układem zasilania. W każdych warunkach pracy silnik pracował poprawnie nie wykazując żadnych nieprawidłowości zarówno w zakresie drgań jak i kontrolowanego indykatorem procesu spalania. Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 2 na rys. 6b. 115

12 Rys. 18. Układ zasilania i dane techniczne silnika badawczego Fiat 11 MPI: Tab. 2. Dane techniczne silnika Fiat 11 MPI Typ silnika Fiat 11 MPI Średnica cylindra x skok 7 x 72 mm Pojemność skokowa 118 cm 3 Stopień sprężania 9,6 Moc znamionowa/prędkość obrotowa 4 kw/5 obr/min Moment obrotowy/prędkość obrotowa 88 Nm/3 obr/min Zastosowanie metanolu do zasilania silnika o zapłonie iskrowym korzystnie wpływa na jego parametry użytkowe takie jak moc, moment obrotowy i sprawność ogólna. Parametry te ulegają zwiększeniu o ile nie ma ograniczeń regulacyjnych lub cieplnych silnika. Przy czym największe wzrosty występują przy zasilaniu samym metanolem, gdzie obserwowano wzrost sprawności ogólnej silnika w jednostkach bezwzględnych o 3 5%. Większe sprawności obserwowano w całym polu pracy silnika dla całego zakresu zmian prędkości obrotowej i obciążenia. Należy podkreślić, że największe różnice sprawności występują w obszarze dużych obciążeń silnika, gdzie pozytywne oddziaływanie parowania alkoholu i jego szybsze spalanie wyraźnie zmniejsza straty cieplne z komory spalania. Podkreślaną przez wielu autorów przyczyną wzrostu sprawności silnika zasilanego alkoholami może być również zmniejszenie strat pompowania wskutek obniżenia temperatury ładunku wywołane dużym ciepłem parowania alkoholu. Obserwowany wzrost sprawności ogólnej dodatkowo zmniejsza emisję CO 2 i tak już zmniejszoną ze względu na mniejszy udział atomów węgla w cząsteczce alkoholu. Wartym podkreślenie jest również fakt, że przedstawione wartości zmiany sprawności 3 5% powodują znacznie większe różnice względne sprawności bo dochodzące do 1 16%. Fakt ten upoważnia do przypuszczeń, że alkohol w silnikach ZI może przyczynić się do znacznego zmniejszenia eksploatacyjnego zużycia energii co jest zgodne z światowymi tendencjami w tym zakresie. W silnikach ZI, w których istnieje możliwość zasilania samym alkoholem przy dużych obciążeniach można zwiększyć stopień sprężania silnika o 1,5 2,5% co dodatkowo spowoduje wzrost sprawności ogólnej silnika, mocy maksymalnej i momentu obrotowego. Możliwości takiej nie ma w przypadku zasilania silnika mieszaninami benzyna-alkohol lub w przypadku tzw. zasilania flexi-fuel. Układ dwupaliwowy przedstawiony w niniejszej pracy umożliwia dowolną strategię zasilania i zmiany udziału paliw on-line. 116

13 a) b) c) Rys. 19. Porównanie sprawności ogólnej silnika Fiat 11 MPI zasilanego benzyną i metanolem: a) silnik zasilany benzyną i samym metanolem, b), c) silnik zasilany dwupaliwowo o różnym udziale metanolu Również przy mniejszych udziałach metanolu 4 8% występowała wyraźna poprawa sprawności silnika w całym polu pracy, rys. 19b i 19c. Warto zaznaczyć, że poprawę sprawności uzyskano bez optymalizacji kąta wyprzedzenia zapłonu (stosowano taki sam jak przy zasilaniu benzyną) i mimo znacznego oddalenia od zaworu dolotowego wtryskiwacza benzyny, co przy dużych udziałach benzyny mogło niekorzystnie wpływać na proces tworzenia mieszaniny palnej. Spalanie metanolu zarówno jako paliwa samoistnego jak również równocześnie z benzyną wpływa na stężenia toksycznych składników spalin silnika ZI. Wpływ ten zależny jest od udziału alkoholu i obciążenia silnika. Przy niewielkich udziałach metanolu i małych obciążeniach silnika obserwowano większe stężenia CO w stosunku do zasilania samą benzyną, rys. 2a. Prawdopodobnie spowodowane to było zmniejszeniem temperatury ładunku powodowanym obecnością metanolu i gorszym odparowaniem paliwa wskutek oddalenia wtryskiwacza benzyny. Jednak przy większych obciążeniach silnika stężenia CO zarówno przy zasilaniu samym metanolem jak i dwupaliwowo były wyraźnie mniejsze w stosunku do benzyny. Spalanie metanolu korzystnie wpływa na emisję sumarycznych węglowodorów THC, rys. 2b. Przy zasilaniu dwupaliwowym występuje wyraźna tendencja do zmniejszania emisji THC, przy czym wartość zmniejszenia wzrasta wraz ze wzrostem udziału metanolu w mieszaninie. Przy zasilaniu samym metanolem stężenia THC były około 2 2,5-krotnie mniejsze w stosunku do zasilania benzyną. Stężenia NO x w spalinach przy zasilaniu metanolem zależne są od udziału metanolu w całkowitej porcji energii dostarczanej do silnika. Przy zasilaniu samym metanolem obserwowano zmniejszenie stężenia NO x w całym polu pracy silnika, rys. 2c. Przy zasilaniu dwupaliwowym wpływ spalania metanolu na stężenie NO x zależny był od obciążenia silnika, rys. 2c. W zakresie małych i średnich obciążeń obserwowano zmniejszenie stężeń NO x natomiast przy większych obciążeniach niewielki wzrost stężenia NO x (w zakresie 1 15%) w stosunku do zasilania benzyną. Kontrola współczynnika 117

14 nadmiaru powietrza wykazała, że przy zasilaniu dwupaliwowym silnik był zasilany nieco uboższą mieszaniną w stosunku do składu przy zasilaniu samą benzyną i samym metanolem. Przy szybszym spalaniu dawki metanolu w stosunku do benzyny mogło to wpłynąć na zwiększenie stężenia NO x przy większych obciążeniach silnika. a) b) c) Rys. 2. Porównanie stężeń CO, THC i NO x dla silnika zasilanego dwupaliwowo (udział metanolu 6%) kolor niebieski, benzyną kolor brązowy oraz samym alkoholem metylowym kolor zielony 2.2 Silniki o zapłonie samoczynnym Alkohole charakteryzują się wysoką temperaturą samozapłonu i małą liczbą cetanową, co uniemożliwia ich kontrolowany samozapłon w warunkach silnikowych. Z tego powodu palne mieszaniny alkohol-powietrze wymagają zawsze obcego źródła samozapłonu. W silnikach o zapłonie samoczynnym jedynym możliwym sposobem zasilania jest zatem system dwupaliwowy, w którym bardzo dobrym źródłem zapłonu jest dawka oleju napędowego. Duża energia zapłonowa dawki inicjującej oleju napędowego (przekraczającej kilkakrotnie energię iskry świecy zapłonowej nawet przy bardzo małej dawce oleju napędowego w granicach 2 5% całkowitej dawki energii) i szerokie granice zapłonu alkoholu metylowego i etylowego umożliwiają pewny zapłon nawet bardzo ubogich mieszanin alkohol-powietrze co jest istotne w przypadku silnika ZS. Alkohol może przy tym być zasadniczym źródłem energii lub stanowić niewielki dodatek poprawiający spalanie oleju napędowego. Alkohol do silników o zapłonie samoczynnym może być dostarczany trzema sposobami: w postaci par alkoholu wraz z zasysanym powietrzem (przez odparowanie alkoholu w parowniku z wykorzystaniem ciepła z układu chłodzenia lub w postaci aerosolu kropelek alkoholu rozpylonych w strudze powietrza), przez wtrysk ciekłego alkoholu do kolektora w okolice zaworu dolotowego, przez bezpośredni wtrysk do komory spalania w końcowej fazie spalania. Ze względu na duże ciepło parowania alkoholi (2,5 3,3 krotnie większe od ciepła parowania oleju napędowego i benzyn) pośrednie dostarczanie alkoholi do kolektora dolotowego powoduje zmniejszenie temperatury zasysanego ładunku, co w silnikach ZS może niekorzystnie wpływać na zwłokę samozapłonu. Natomiast przez wtrysk bezpośredni duże ciepło parowania alkoholi można 118

15 Sprawność ogólna o [%] o [%] przy dużych udziałach wykorzystać do zmniejszenia temperatury maksymalnej czynnika podczas spalania. Z tego powodu ten rodzaj zasilania jest najbardziej polecany, chociaż wymaga zastosowania dodatkowego wtryskiwacza lub stosowania wtryskiwaczy podwójnych co komplikuje nieco konstrukcję głowicy. W prezentowanej pracy przedstawiono wyniki badań 6-cylindrowego, wolnossącego silnika SW 68 o zapłonie samoczynnym zasilanego dwupaliwowo metanolem i olejem napędowym. Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 3 Tab. 3. Dane techniczne silnika SW 68 Parametr Wielkość parametru Średnica cylindra 127 Skok tłoka 146 Liczba cylindrów 6 Objętość skokowa 11,1 dm 3 Stopień sprężania 15,8 Moc znamionowa kw Prędkość obrotowa mocy znamionowej 22 obr/min Komora spalania toroidalna w tłoku wtrysk bezpośredni symetryczny Już niewielki dodatek metanolu korzystnie wpływa na spalanie oleju napędowego jako zasadniczej porcji energii dostarczanej do silnika. Efektem tego jest wzrost sprawności ogólnej silnika przy pełnym obciążeniu w zakresie 3 6% w stosunku do silnika zasilanego tradycyjnie, rys. 21a. Wydaje się, że wzrost sprawności ogólnej związany jest z większą prędkością spalania metanolu w stosunku do spalania oleju napędowego. Powoduje to wzrost temperatur czynnika w strefach reakcji na początku spalania ale równocześnie zwiększenie liczby ognisk zapłonu oleju napędowego. Ostatni czynnik jest szczególnie istotny przy maksymalnych obciążeniach silnika, kiedy przy pojedynczej dawce i dużej dawce oleju napędowego procesy początkowe spalania odgrywają znaczącą rolę. Wtedy też obserwowano największe zmiany sprawności ogólnej silnika co wyraźnie widać na charakterystyce obciążeniowej, rys. 21b. W przedstawionych badaniach stosowano mieszalnikowy system dostarczania metanolu. Zastosowany system zasilania powodował, że przy stałej prędkości obrotowej, niezależnie od obciążenia, do silnika była dostarczana taka sama ilość metanolu. Zmiany obciążenia silnika uzyskiwano przez zmniejszanie dawki inicjującej oleju napędowego. Powodowało to wzrost udziału metanolu w całkowitej ilości energii proporcjonalnie do zmniejszania obciążenia silnika i w zakresie małych obciążeń udział ten wynosił 44 5% zależnie od prędkości obrotowej. Mimo tak znacznego udziału metanolu mieszanina metanol-powietrze była uboga, współczynnik nadmiaru powietrza m >3,8 4,2. Mimo tego osiągano pewny i sprawny zapłon mieszaniny o czym świadczą wartości sprawności ogólnej silnika. a) U met = 8-12% U met = 9-18% b) obr/min ON ON+Met 32 ON Prędkość obrotowa n [obr/min] p e [MPa] Rys. 21. Porównanie sprawności ogólnej silnika SW 68 zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo metanolem i olejem napędowym: a) sprawność ogólna przy pełnym obciążeniu silnika, b) sprawności ogólne w zależności od obciążenia silnika 119

16 CO [ppm] THC [ppm] Duże ciepło odbierane z ładunku na parowanie metanolu mogło istotnie wpływać przy małych obciążeniach na temperatury czynnika w czasie sprężania i prowadzić do zmniejszenia sprawności ogólnej silnika dwupaliwowego w stosunku do zasilania tradycyjnego, rys. 21b. W nowszych silnikach turbodoładowanych zmianom obciążenia towarzyszy z reguły zmniejszenie stopnia doładowania co może również istotnie wpływać na przebieg spalania metanolu. Wydaje się, że odpowiednia regulacja stopnia doładowania pozwoli na wykorzystanie pozytywnego wpływu spalania metanolu również przy mniejszych obciążeniach silnika. Dodatkowo, przy zastosowaniu wtrysku metanolu można w razie potrzeby zmieniać udział metanolu wraz ze zmianą obciążenia silnika. Zastosowanie dodatku metanolu w wolnossących silniach ZS powoduje znaczące zmniejszenie zadymienia spalin i stężenia CO przy maksymalnych obciążeniach silnika, rys. 22. Może jednak prowadzić do wzrostu stężenia NO x i niespalonych węglowodorów. Zmniejszenie zadymienia związane jest ze zmniejszeniem dawki oleju napędowego (odpowiedzialnego w głównej mierze za tworzenie cząstek stałych) i przyspieszeniem jego spalania przez palące się pary metanolu. Proces ten zależny jest od udziału metanolu w całkowitej dawce energii dostarczanej w cyklu. Dla mniejszego udziału metanolu zmniejszenie zadymienia jest prawie dwukrotne w całym zakresie zmian prędkości obrotowej. Przy zwiększonym udziale metanolu uzyskano 2,6 3,-krotne zmniejszenie zadymienia. Można to wykorzystać do zmniejszenia emisji cząstek stałych PM w silnikach autobusowych eksploatowanych w miastach o znacznym nasileniu ruchu. Warto podkreślić, że pozytywny efekt zmniejszenia zadymienia można już uzyskać przez niewielki dodatek metanolu (lub etanolu), a koszty adaptacji silnika do zasilania dwupaliwowego z wykorzystaniem alkoholi są przy tym niewielkie. Wzrost stężenia węglowodorów w spalinach przy zasilaniu mieszalnikowym może być związany z ucieczką części ładunku wskutek przekrycia zaworów, co może nasilać się w silnikach doładowanych. Z tego powodu w silnikach ZS powinno się stosować wtrysk alkoholu, a najlepiej bezpośrednio do cylindra. Badania takie były prowadzone przez prof. Kowalewicza w Politechnice Radomskiej [1 12]. Warto również zaznaczyć, że pary metanolu są silnie trujące co dodatkowo preferuje układy wtryskowe. zasilanie ON U met = 8-12% U met = 9-18% a) 35 b) Prędkość obrotowa n [obr/min] Prędkość obrotowa n [obr/min] 12

17 NOx [ppm] Zadymienie spalin [%Bosch] c) Prędkość obrotowa n [obr/min] d) Prędkość obrotowa n [obr/min] Rys. 22. Porównanie stężeń składników spalin silnika SW68 zasilanego olejem napędowym i dwupaliwowo olejem napędowym i metanolem [18] Zwiększenie stężenia NO x w spalinach przy pełnym obciążeniu silnika (rys. 22c) związane jest z omawianym wcześniej zwiększeniem szybkości spalania ładunku w dwupaliwowym silniku zasilanym metanolem. Największe różnice stężeń NO x występują w zakresie mniejszych prędkości obrotowych (wzrost o 3%) i maleją wraz ze zwiększaniem prędkości, a w zakresie 2 22 obr/min są nawet mniejsze od stężeń dla zasilania tradycyjnego. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz można sformułować następujące wnioski o charakterze ogólnym. W warunkach krajowych w przeważającej części zużywane są paliwa ciekłe benzyna i olej napędowy. Mogą być zatem stosowane jedynie biopaliwa ciekłe alkohole i estry nienasyconych kwasów tłuszczowych. Z pośród alkoholi prostych, metanol i etanol, z uwagi na własności i aktualnie obowiązujące przepisy alkohol etylowy ma zasadnicze znaczenie. Alkohol etylowy stosowany jest od dawna jako składnik benzyn tzw. benzyny alkoholowe lub eterowe. Dopuszcza się przy tym stosowanie benzyn E5, E1, E85 i E95 zawierających odpowiednio 5, 1, 85 i 95% etanolu. Mieszanie alkoholu z benzyną wymaga stosowania alkoholu bezwodnego o zawartości etanolu 99,8% co znacznie podraża jego koszt i związane jest z istotnymi stratami energetycznymi. Ponadto stosowanie większych dodatków do benzyn wymaga zastosowania eteru etylo-tertbutylowego co podnosi dodatkowo ceny biopaliw. Stabilność benzyn alkoholowych w europejskiej strefie klimatycznej jest nadal bardzo poważnym problemem ograniczającym w znacznej mierze stosowanie bioetanolu. Zasilanie dwupaliwowe silników o zapłonie samoczynnym i iskrowym z wykorzystaniem alkoholi jest ciekawą alternatywą pozwalającą zwiększyć udział biopaliw w całości zużywanych paliw silnikowych. W zasilaniu dwupaliwowym silników można stosować surowy destylat gorzelniany zawierający 4 6% wody co istotnie wpływa na obniżenie kosztów bioetanolu. W przypadku silników o zapłonie samoczynnym alkohol może stanowić paliwo zasadnicze lub dodatek poprawiający spalanie oleju napędowego. Adaptacja silnika przy dodatku alkoholu nie wymaga dużych zmian w konstrukcji silnika i może być przeprowadzona zarówno w silnikach starszych jak i nowoczesnych. W obydwu przypadkach preferowany jest jednak wtrysk ciekłego alkoholu do kolektora dolotowego lub bezpośrednio do cylindra. Dwupaliwowy system w silnikach o zapłonie iskrowym pozwala stosować dowolny udział alkoholu w zakresie 1% zależnie od obciążenia i stanu cieplnego silnika. Umożliwia to zwiększenie stopnia sprężania o 1,5 2,5 jednostek w stosunku do silnika bazowego. Przy dużych udziałach alkoholu system dwupaliwowy nie wymaga ponadto stosowania alkoholi bezwodnych, jak ma to miejsce w mieszaninach z benzyną, co zmniejsza znacznie koszty produkcji biopaliw. 121

18 Dodatek metanolu korzystnie wpływa na spalanie zarówno benzyny jak i oleju napędowego powodując wzrost parametrów eksploatacyjnych i sprawności ogólnej silników ZI i ZS. Można uzyskać wzrost maksymalnej mocy użytecznej i momentu obrotowego przy porównywalnych obciążeniach (wyników badań nie prezentowano w tej pracy). Wzrost sprawności ogólnej silnika ZI bez korekty stopnia sprężania wynosił dla dużych udziałów metanolu 3 5% co stanowi względny wzrost w zakresie 1 16%. W silniku ZS przy maksymalnych obciążeniach uzyskano wzrost sprawności ogólnej w zakresie 3 6% co stanowi wzrost względny o 8 17%. Tak znaczne wzrosty względne sprawności ogólnej powinny przyczynić się do istotnego zmniejszenia eksploatacyjnego zużycia energii przez silniki. Dodatek metanolu powoduje wyraźne zmiany w stężeniach składników spalin emitowanych przez silniki dwupaliwowe. Można przy tym wyodrębnić następujące tendencje: w silnikach ZI: zmniejszenie stężenia CO przy większych obciążeniach, istotne zmniejszenie THC (2 2,5 krotne), zmniejszenie stężenia NO x dla dużych udziałów metanolu oraz wzrost w niektórych zakresach pracy silnika; w silnikach ZS: istotne 2 3 krotne zmniejszenie zadymienia spalin, zmniejszenie stężenia CO, wzrost stężenia THC i NO x w niektórych zakresach pracy silnika. Wydaje się, że niektóre niekorzystne skutki spalania metanolu w silnikach ZI i ZS można ograniczyć przez optymalizację parametrów sterowania silników. Streszczenie W pracy przedstawiono zagadnienia stosowania biopaliw ciekłych w silnikach spalinowych. Omówiono uwarunkowania prawne stosowania biopaliw, produkcję w różnych regionach świata i w warunkach krajowych oraz perspektywy jej rozwoju. Porównanie własności alkoholu w stosunku do benzyn i oleju napędowego wskazało, że alkohole mogą być z powodzeniem stosowane zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym jak i samoczynnym. Z uwagi na rozwarstwiane się mieszanin w niskich temperaturach i obecności wody w chwili obecnej w kraju stosowany jest alkohol etylowy bezwodny w ilości do 5% lub eter etylo-tert-butylowy. Podraża to istotnie ceny produkcji biopaliw i stwarza istotne problemy logistyczne w dystrybucji. W pracy pokazano wyniki badań silników zasilanych systemem dwupaliwowym iskrowego Fiat 11 MultiPoint i o zapłonie samoczynnym SW 68. Obydwa silniki były zasilane odpowiednio benzyną i metanolem oraz olejem napędowym i metanolem o zmiennym udziale metanolu. Badania pokazały korzystny wpływ dodatku metanolu na proces spalania zarówno benzyny jak i oleju napędowego prowadzący do zwiększenia parametrów użytkowych silnika, sprawności ogólnej oraz poprawy jego parametrów ekologicznych. System dwupaliwowy umożliwia stosowanie dużych udziałów alkoholu, a w przypadku silnika o zapłonie iskrowym nawet zasilania samym alkoholem w zakresie dużych obciążeń silnika. Pozwala to wykorzystać w pełni korzystne własności alkoholi. Ponadto w zasilaniu mogą być stosowane alkohole zawodnione co znacznie obniża ich koszt produkcji. Use of alcohol to fuelling of internal combustion engines Abstract The paper presents the issues of the use of biofuels in internal combustion engines. Juridical aspects of the use of biofuels production in different regions of the world and national conditions and prospects of its development. Comparison of alcohol property relative to gasoline and diesel indicated that alcohols can be successfully used in both spark ignition and compression engines. Because of the split in the mixture at low temperatures and the presence of water currently used in the country of anhydrous ethyl alcohol in an amount of up to 5% or ethyl-tert-butyl ether. This significantly boosts the prices of biofuels and creates significant logistical problems in the distribution. The paper shows the results of testing of engines powered by a dual fuel system - Fiat 11 MultiPoint spark and compression ignition SW 68. Both engines were powered respectively by gasoline and methanol and diesel oil and methanol by variable share of methanol. Studies have shown a beneficial effect of the addition of methanol to the process of burning both gasoline and diesel fuel, leading to increase the performance parameters of the engine, the overall efficiency and improving its environmental performance. Dual fuel system allows for a high share of alcohol, in the case of a spark ignition engine power even the alcohol at high engine loads. This allows use a fully favorable properties of alcohols. In addition, the power supply may be used watered alcohols which greatly reduces the cost of its production. 122

19 BIBLIOGRAFIA 1. Biuletyn Urzędu regulacji Energetyki nr 2/ Blew W.: Praktyczne aspekty stosowania bioetanolu jako komponentu do paliw. II Konferencja Naukowo Techniczna FUEL,S ZOOM BIOETANOL Kraków kwietnia 21 r. 3. Borychowski M.: Produkcja i zużycie biopaliw płynnych w Polsce i na świecie szanse, zagrożenia, kontrowersje. Roczniki Ekonomiczne Kujawsko Pomorskiej Szkoły Wyższej w Bydgoszczy nr 5 (212), s Ethanol Internal Combustion Engines. ETSAP Energy Technology Systems Analysis Programme, Technology Brief, June Filipowski P.: Bioetanol 21 aspekty produkcyjne i rynkowe. II Konferencja Naukowo Techniczna FUEL,S ZOOM BIOETANOL Kraków kwietnia 21 r. 6. Gmyrek J: Bioetanol w realizacji NCW w PKN ORLEN S.A., Konferencja FUEL,S ZOOM BIOETANOL Kraków kwietnia 21 r. 7. Golisz E., Wójcik G.: Problemy gorzelni rolniczych i przemysłu bioetanolowego w Polsce. Inżynieria Rolnicza, 213: Z 2(143) T.1, s Górzyński M., Osiak J., Rokicka M.: Analiza rynku spirytusowego w Polsce. CASE Doradcy Sp. z o.o., Raport, Warszawa 25 r. 9. Komorowicz T., Magiera J.: Wskaźniki efektywności wybranej instalacji produkcji bioetanolu. Czasopismo Techniczne. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej. z-2 M/28, Kowalewicz A., Pajączek Z.: Dual-Fuel Engine Fuelled with Ethanol and Diesel Fuel. Journal of KONES, International Combustion Engines, vol. 1-2, W-wa Kowalewicz A., Pajączek Z.: Eco Diesel engine with additional injection of ethanol. Archive Combustions, vol. 23/23 No. 3-4 (Wyd. 24 r.). 12. Kowalewicz A.: Emission Characteristics of Compression Ignition Engines Fuelled with RME/DF and Ethanol. Journal of KONES, vol. 11/24 No 1-2, Leja K., Lewandowicz G., Grajek W.: Produkcja bioetanolu z surowców celulozowych. Biotechnologia nr 4 (87) 29, s , Malewicz K.: Sterowanie liczbą oktanową paliwa w układzie zasilania silnika o zwiększonym stopniu sprężania. Praca doktorska, Politechnika Opolska, Pańczyszyn T.: Forum roślin energetycznych. Produkcja biopaliw płynnych potencjał surowcowy. Poznań, Semikow J.: Studium dwupaliwowego zasilania silnika o zapłonie iskrowym benzyną i alkoholem. Praca doktorska, ATH Bielsko-Biała, Stelmasiak Z.: Polish Maritime Research nr/3/ Stelmasiak Z.: Dwupaliwowe silniki o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, Biblioteka problemów Eksploatacji, Radom Szalkowska U.: Paliwa Bioetanolowe: Globalna perspektywa. II Konferencja Naukowo - Techniczna FUEL S ZOOM - BIOETANOL - Paliwa i biopaliwa ciekłe z bioetanolem, Kraków kwietnia 21r. 2. Szewczyk K.: Zarys możliwości wykorzystania etanolu jako odnawialnego źródła energii Westcott P. C.: Ethanol Expansion in the United States: How Will the Agricultural Sector Adjust?. Economic Research Service, May dostęp dostęp dostęp