PROGNOZY W ROZWOJU PALIW ALTERNATYWNYCH W TRANSPORCIE DROGOWYM

Transkrypt

1 PROGNOZY W ROZWOJU PALIW ALTERNATYWNYCH W TRANSPORCIE DROGOWYM dr inż. Krzysztof Biernat, prof. ndzw. Koordynator Polskiej Platformy Technologicznej Biopaliw Zastępca Dyrektora Instytutu Ekologii i Bioetyki UKSW

2 Wymagania silników spalinowych (1) wymagania zapewniające właściwy transport wewnętrzny paliwa (wymagania układu zasilania); wymagania zapewniające prawidłowe rozpylenie i odparowanie paliwa; wymagania zapewniające właściwe spalanie paliwa; wymagania związane z oddziaływaniem paliw i produktów ich spalania na środowisko; 2

3 Wymagania silników spalinowych (2) wymagania związane z magazynowaniem, transportem i dystrybucją paliw; wymagania związane ze sposobami postępowania z paliwami nie spełniającymi określonych norm przedmiotowych.

4 Wymagania silników spalinowych (3) Wymagania w stosunku do paliw określają konstruktorzy i producenci pojazdów, gwarantując jednocześnie trwałość i niezawodność silników zasilanymi odpowiednimi dla niego paliwami.

5 Informacje w normach na paliwa silnikowe zakres (stosowania) normy; normy powołane; sposób pobierania próbek; oznakowanie systemu dystrybucyjnego; ogólne i szczegółowe wymagania oraz metody ich oznaczania; niezbędne, dodatkowe dane dotyczące np.: specyficznych metod oznaczania niektórych wymagań, magazynowania, bezpieczeństwa bhp i ppoż. itp.

6 Światowa Karta Paliw (WWFC) Światowa Karta Paliw ( World - Wide Fuel Charter) stanowi zbiór wymagań jakościowych paliw silnikowych, z podaniem ich miar i wag, opracowanych na podstawie badań uwzględniających wymagania współczesnych silników spalinowych i ochrony środowiska

7 Kategorie paliw według WWFC (1) Kategoria1 Wymagania dla paliw stosowanych na rynkach bez żadnych, albo z minimalnymi wymaganiami (US Tier 0, EURO 1), co do kontroli emisji szkodliwych składników spalin, spełniających głównie podstawowe wymagania silników i samochodów.

8 Kategorie paliw według WWFC (2) Kategoria 2 Paliwa użytkowane na rynkach o ostrzejszych wymaganiach ogólnych jak i tez z zakresu ochrony środowiska. W tej kategorii znajdują się paliwa spełniające wymagania US Tier 1, EURO 2/II, EURO 3/III lub równoważne wymagania z zakresu norm emisyjności toksycznych składników spalin.

9 Kategorie paliw według WWFC (3) Kategoria 3 Paliwa przeznaczone na rynki o zaostrzonymi wymaganiami ogólnymi i z zakresu ograniczania emisji toksycznych składników spalin spełniające wymagania US LEV, California LEV, ULEV, EURO 4/IV i P 2005 lub równoważne wymagania co do emisyjności toksycznych składników spalin.

10 Kategorie paliw według WWFC (4) Kategoria 4 Paliwa o bardziej zaostrzonych wymaganiach jakościowych, szczególnie z zakresu emisji, łącznie z zaawansowanymi sposobami redukcji tlenków azotu i cząstek stałych ze spalin. Paliwa te musza spełniać wymagania US Tier 2, US Tier 3 (pending), US 2007/2009 Heavy Duty On-Highway, US Non-Road Tier 4, California LEV II, EURO 4/IV, EURO 5/V, EURO 6/VI i JP 2009 lub równoważne standardy dla tych wymagań, a także muszą być spełnione wymagania z zakresu ograniczania zużycia paliwa

11 Kategorie paliw według WWFC (5) Kategoria 5 Paliwa spełniające najwyższe standardy z zakresu ograniczania emisyjności i efektywności zużycia tych paliw, w tym US 2017 light duty fuel economy, US heavy duty fuel economy, California LEV III lub standardy ekwiwalentne, w tym standardy przypisane kategorii 4.

12 Ograniczenia dla paliw do silników o ZI, według WWFC 1. Ograniczenie zawartości siarki w paliwach, co jest związane z toksycznymi dla środowiska produktami jej spalania oraz skłonnością do zatruwania katalizatora spalin, co zmniejsza możliwość redukcji ilości węglowodorów i tlenków azotu zawartych w spalinach. Dodatkowo obecność siarki obniża skuteczność technologii eliminacji tlenków azotu w perspektywicznych rozwiązaniach bazujących na spalaniu mieszanek ubogich (oszczędność zużycia paliwa).

13 Ograniczenia dla paliw do silników o ZI, według WWFC 2. Eliminacji zawartości związków ołowiu; 3. Eliminacji dodatków mogących wpływać na powstawanie popiołu; 4. Eliminacji zawartości związków metaloorganicznych podwyższających liczbę oktanową typu metylocyklopentadienylo trikarbonylku manganu (MMT) lub ferrocenów zawierających żelazo. Aktualnie prowadzone są badania określające wpływ związków manganu na efektywność działania katalizatorów, to jednak zakłada się że związki te podobnie jak związki żelaza odkładać się będą na powierzchni katalizatora, a tym samym wzrośnie zawartość toksycznych składników w spalinach;

14 Ograniczenia dla paliw do silników o ZI, według WWFC 5. Eliminacji zawartości krzemu i jego związków, które mogą być wprowadzone do paliw poprzez blendowanie ich ze zużytymi, różnymi rozpuszczalnikami, powodując uszkodzenia czujników wykrywaczy tlenu i katalizatora dopalania spalin; 6. Ograniczenia wprowadzania do benzyn związków tlenowych typu eterów lub etanolu i alkoholi wyższych, przy jednoczesnym zakazie wprowadzania do paliw metanolu. Ograniczenie to spowodowane jest pogorszeniem właściwości jezdnych i mało skutecznym zmniejszaniem emisji tlenków azotu w silnikach zasilanych mieszankami ubogimi.

15 Ograniczenia dla paliw do silników o ZI, według WWFC KOMENTARZ do pkt. 6 Stwierdzono w badaniach, że w procesie spalania benzyn z dodatkiem 10% etanolu, emisja toksycznych substancji obniżyła się o 2%, a emisja tlenku węgla o 10% w porównaniu z benzyną zawierającą 11% MTBE, ale emisja tlenków azotu wzrosła o 14%, węglowodorów o 10% oraz potencjał tworzenia ozonu o 9%. A zatem przy wprowadzaniu do benzyn alkoholi nie powinno się wprowadzać dodatkowo eterów. Zakaz wprowadzania metanolu wynika z możliwości spowodowania korozji części metalowych i degradacji komponentów plastycznych i elastomerów;

16 Ograniczenia dla paliw do silników o ZI, według WWFC 7. Ograniczenie zawartości olefin (węglowodorów nienasyconych), mimo ich wpływu na podwyższanie liczby oktanowej, spowodowane możliwością tworzenia żywic i wytracania się osadów, a także wzrostu emisji reaktywnych węglowodorów powodujących możliwość powstawania ozonu i związków toksycznych; 8. Ograniczanie zawartości węglowodorów aromatycznych wpływających na odkładanie się osadów w silniku i zwiększoną emisyjność spalin, w tym ditlenku węgla;

17 Ograniczenia dla paliw do silników o ZI, według WWFC 9. Ograniczenie zawartości benzenu ze względu na jego silne działanie rakotwórcze; 10.Powiązanie temperatur odparowania 10%, 50%, 90% paliwa w destylacji normalnej (odpowiednio T10, T50 i T90) i procentowej zawartości związków tlenowych w paliwie (%OXY) w indeks właściwości jezdnych (DI) w zależność: DI=1,5 T10+3 T50 + T %OXY. Wyższe wartości DI niż pogarszają się znacznie właściwości jezdne, przy wzroście emisji węglowodorów.

18 Ograniczenia dla paliw do silników o ZS, według WWFC 1. Dla uniknięcia nadmiernego stosowania dodatków podwyższających liczbę cetanową ustala się minimalną różnicę pomiędzy tą liczbą, a indeksem cetanowym (CI, CCI); 2. Ustala się zakres wartości gęstości dla poszczególnych kategorii paliw, który wynika z badań określających korelację wpływu obniżenia gęstości na obniżenie emisji cząstek stałych i tlenków azotu z silników mocno obciążonych przy jednoczesnym spadku mocy i zwiększeniu zużycia paliwa;

19 Ograniczenia dla paliw do silników o ZS, według WWFC 3. Ustala się zakres wartości lepkości paliwa wynikający z badań nad procesem wtrysku paliwa i stopniem napełnienia, zależnym od tej wartości, przy jednoczesnym wykładniczym spadku wartości lepkości spowodowanym wzrostem temperatury; 4. Ze względu na to, że siarka zawarta w paliwach poza tworzeniem w procesie spalania tlenków siarki, podwyższa znacznie emisję cząstek stałych, stymuluje procesy korozji niskotemperaturowej oraz zatruwa adsorbery tlenków azotu, to w silnikach nowej generacji znacznemu ograniczeniu podlega jej zawartość;

20 Ograniczenia dla paliw do silników o ZS, według WWFC 5. Ogranicza się zawartość węglowodorów aromatycznych niezależnie od ich niskich wartości liczby cetanowej. Spowodowane to jest tym, że zwiększając skłonność do pracy twardej silników, powodują wzrost emisji cząstek stałych (zadymienie spalin) oraz wpływają na wzrost emisji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) w spalinach; 6. Ze względu na wpływ niższych wartości temperatury oddestylowania 90 lub 95% (v/v) paliwa na mniejszą emisję tlenków azotu przy jednoczesnej tendencji do wzrostu emisji węglowodorów, w gazach spalinowych silników wysoko obciążonych i redukcję emisji cząstek stałych oraz wzroście emisji tlenków azotu dla lekko obciążonych silników, ustala się optymalne wartości tych temperatur wynikające z badań;

21 Ograniczenia dla paliw do silników o ZS, według WWFC 7. Jeżeli właściwości niskotemperaturowe paliw do silników o zapłonie samoczynnym będą określane przy pomocy oznaczania temperatury mętnienia (CP-Cloud Point) lub obowiązującym w USA i Kanadzie teście na płynność paliwa w niskich temperaturach (LTFT - Low Temperature Flow Test) to wartość tej temperatury powinna być dla paliwa wyższa niż najniższa, przewidywana temperatura otoczenia. W przypadku określania temperatury zablokowania zimnego filtra (CFPP - Cold Flow Plugging Point)) to maksymalna wartość CFPP powinna być równa lub niższa od najniższej, przewidywanej temperatury otoczenia, przy czym wartość ta nie może wynosić więcej niż 100C od ustalonej wartości CFPP od ustalonej w Karcie wartości dla danej kategorii paliwa;

22 Ograniczenia dla paliw do silników o ZS, według WWFC 8. Ogranicza się zawartość estrów pochodzenia roślinnego, głównie FAME (fatty acid methyl esters) w olejach napędowych z powodu ich niekorzystnych właściwości niskotemperaturowych, higroskopijności, większej tendencji do tworzenia osadów i agresywnego oddziaływania na uszczelnienia i niektóre elementy układu paliwowego. W zakresie badania odporności na utlenianie olejów napędowych, niezależnie od konieczności oznaczania tej odporności metodą 1 według ISO i ASTM D2274, dla paliw zawierających powyżej 2 % (v/v) FAME, konieczne staje się dodatkowe oznaczanie tego parametru równocennymi metodami 2a (zmodyfikowany Rancimat) według EN 15751, 2b (Δ TAN) według ASTM D664 i zmodyfikowanej ASTM D2274 oraz 2c (PetroOxy) według EN 16091;

23 Ograniczenia dla paliw do silników o ZS, według WWFC 9. Wprowadza się badanie czystości wtryskiwaczy zależnej miedzy innymi od ilości i rodzaju wprowadzanych detergentów jako dodatków, ze względu na prawidłowy przebieg procesu rozpylania paliwa; 10. Ze względu na konieczność zapewnienia właściwej pracy pompy wtryskowej, przy jednoczesnym eliminowaniu zawartości siarki w paliwach, określa się smarność paliw poprzez badanie w urządzeniu testowym HFRR (High Frequency Reciprocating Rig), normując ją w temperaturze 600C.

24 Wymagania stawiane paliwom alternatywnym paliwa te powinny występować na rynku w dostatecznie dużych ilościach i być tanie w sprzedaży; powinny posiadać właściwości determinujące ich całkowitą przydatność do zasilania silników lub urządzeń grzewczych; powinny w sposób istotny zmniejszać zagrożenia dla środowiska niż paliwa dotychczas stosowane.

25 Podział paliw alternatywnych

26 Rodzaje paliw alternatywnych Ciekłe paliwa alternatywne: BTL ( biomass to liquid ) GTL ( gas to liquid ) CTL ( coal to liquid ) WTL ( wastes to liquid) z odpadów biodegradowalnych Gazowe paliwa alternatywne: LPG ( liquefied petroleum gas ) CNG ( compressed natural gas), LNG ( liquefied natural gas ) DME ( dimethylether ) (biodme) SNG ( synthetic natural gas ) gaz zsyntezowany, w tym biogaz o jakości gazu ziemnego Wodór (biowodór)

27 Paliwa alternatywne (1) gaz ziemny w postaci sprężonej CNG ( Compressed Natural Gas ) i ciekłej LNG ( Liquid Natural Gas ), zawierający głównie metan; gaz miejski, wytwarzany w procesie suchej destylacji węgla, zawierający metan, tlenek i ditlenek węgla; wodór jako podstawowe paliwo do ogniw paliwowych lub składnik mieszanek ubogich;

28 Paliwa alternatywne (2) amoniak (azan) w postaci gazowej lub ciekłej otrzymywany na skalę przemysłową w procesie syntezy wodoru i azotu atmosferycznego; propan lub jego mieszanina z butanem jako mieszanina tzw. gazu naftowego i gazu ziemnego powszechnie wykorzystywany jako źródło napędu; alkohol metylowy, etylowy i butylowy; oleje roślinne; estry metylowe FAME i etylowe FAEE wyższych kwasów tłuszczowych;

29 Paliwa alternatywne (3) eter dimetylowy DME i dietylowy DEE oraz etery wyższe, głównie: eter metylo-tert-butylowy MTBE, a także eter etylo-tert-butylowy ETBE, otrzymywane z syntezy tlenku węgla i wodoru oraz z gazu ziemnego, węgla, drewna i organicznych substancji odpadowych. Badana jest także przydatność eterów metylo-tert-amylowych TAME i iizopropylowych DIPE; oleje popirolityczne;

30 Paliwa alternatywne (4) gazowe i ciekłe produkty procesów termicznego i termokatalitycznego rozkładu organicznych substancji odpadowych, tłuszczów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego w tym procesów termicznego rozkładu gum (opon) prowadzących do uzyskiwania ciekłych i gazowych produktów rozkładu, procesów depolimeryzacji tworzyw sztucznych, procesów prowadzących do uzyskiwania gazów składowiskowych (biogazów), gazów pirolitycznych pochodzących z rozkładu termicznego substancji organicznych, gazów syntezowych i pochodnych substancji ciekłych typu SYNONBION jako paliwa niestandardowego mogącego zastąpić oleje napędowe.

31 Paliwa alternatywne do silników o ZI etanol; metanol; butanol; inne alkohole (tert-butylowy TBA, secbutylowy SBA, izopropylowy IPA, neopentylowy-npa); perspektywiczny dimetylofuran (DMF)i inne paliwa furanowe ( furanic fuels ); paliwa solarne ( solarfuels );

32 Paliwa alternatywne do silników o ZI etery (etylo-tert-amylowy TAEE, etylo-tertbutylowy ETBE, metylo-tert-amylowy TAME, metylo-tert-butylowy MTBE, diizopropylowy DIPE); węglowodorowe paliwa syntetyczne; skroplony gaz naftowy; wodór;

33 Paliwa alternatywne do silników o ZS estry kwasów tłuszczowych (FAME, FAEE) z procesów transestryfikacji olejów: rzepakowego, sojowego, słonecznikowego, itp.; eter dimetylowy (DME) i rozważany eter dietylowy (DEE); emulsje paliwowo-wodne (aquazole) czyste oleje roślinne węglowodorowe paliwa syntetyczne.

34 Paliwa alternatywne do silników o ZS, stacjonarnych alkohole; estry wyższych kwasów tłuszczowych; paliwa talowe (TPO-tall pitch oils) otrzymywane w rocesach estryfikacji akloholami etylowym lub metylowym olejów talowych wydzielonych z żywicy drzew iglastych (produktów ubocznych z procesów produkcji celulozy siarczanowej oraz wytlewania drewna); paliwa z procesów pirolizy; czyste oleje roślinne; biogaz. SNG aquazole

35 Paliwa alternatywne z procesów BtL - BIOPALIWA Biopaliwa płynne (ciekłe i gazowe) otrzymywane z procesów: biochemicznych; termochemicznych : transestryfikacji olejów roślinnych, w tym odpadowych;

36 Biopaliwa I generacji ( conventional ) paliwa, które są wytwarzane bezpośrednio lub pośrednio z surowców żywnościowych procesami fermentacyjnymi lub transestryfikacyjnymi: etanol jako odwodniony, konwencjonalny etanol gorzelniany, otrzymywany z procesów hydrolizy i fermentacji z takich surowców jak: zboża, buraki cukrowe itp. czyste oleje roślinne (PVO-pure vegetable oils), otrzymywane z procesów tłoczenia na zimno i ekstrakcji ziaren spożywczych roślin oleistych;

37 Biopaliwa I generacji biodiesel stanowiący estry metylowe oleju rzepakowego (RME) lub estry metylowe (FAME) i etylowe (FAEE) wyższych kwasów tłuszczowych innych spożywczych roślin oleistych otrzymywane w wyniku procesów tłoczenia na zimno, ekstrakcji i transestryfikacji; biodiesel, stanowiący estry metylowe i etylowe otrzymywany w wyniku transestryfikacji posmażalniczych odpadów olejowych; biogaz, stanowiący oczyszczony biogaz z zawilgoconego biogazu składowiskowego, bądź rolniczego; bio-etbe, otrzymywany z przeróbki chemicznej etanolu gorzelnianego.

38 Biopaliwa II generacji ( advanced ) paliwa otrzymywane z biomasy (upraw roślin energetycznych i organicznych substancji odpadowych) lub niejadalnych nasion oleistych: bioetanol otrzymywany w wyniku zaawansowanych procesów hydrolizy i fermentacji lignocelulozy pochodzącej z biomasy (z wyłączeniem surowców o przeznaczeniu spożywczym); syntetyczne biopaliwa stanowiące produkty przetwarzania biomasy poprzez zgazowanie i odpowiednią syntezę na ciekłe komponenty paliwowe (BtL); bio DMF (dimetylofuran) jako perspektywiczne paliwo do silników o ZI, otrzymywane z procesów katalitycznego przetwarzania cukrów (np. celulozy, skrobi);

39 Biopaliwa II generacji paliwa do silników o zapłonie samoczynnym pochodzące z przetwarzania lignocelulozy z biomasy w procesach Fischer-Tropscha; biodiesel syntetyczny z kompozycji produktów lignocelulozowych; mieszaniny wyższych alkoholi; dimetyloeter (bio-dme), biodiesel, jako biopaliwo lub komponent paliwowy do silników o ZS, otrzymywany w wyniku rafinacji wodorem (hydrogenizacji) odpadowych olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych; biogaz jako syntetycznie otrzymywany gaz o właściwościach gazu ziemnego (SNG), otrzymywany w wyniku procesów zgazowania lignocelulozy i odpowiedniej syntezy.

40 Biopaliwa III generacji ( advanced ) otrzymywane podobnymi metodami co paliwa drugiej generacji, ale z odpowiednio zmodyfikowanego surowca; surowiec, to odpowiednio zmodyfikowana na etapie uprawy biomasa, między innymi przy pomocy molekularnych technik biologicznych. celem tych modyfikacji jest udoskonalenie procesu konwersji biomasy do biopaliw poprzez np. uprawy drzew o niskiej zawartości ligniny, rozwój upraw z wbudowanymi odpowiednio enzymami itp. (biowodór, biometanol, biobutanol)

41 Biopaliwa IV generacji ( advanced ) wydzielona, nowa generacja ze względu na konieczność zamknięcia bilansu ditlenku węgla lub eliminacji jego oddziaływania na środowisko. technologie wytwarzania biopaliw czwartej generacji powinny uwzględniać procesy CCS (Carbon Capture and Storage) czyli wychwytu i składowania węgla na etapie surowców i technologii wytwarzania tych biopaliw surowce to mogą być rośliny o zwiększonej, nawet genetycznie, asymilacji CO2 w czasie uprawy, a stosowane technologie muszą uwzględniać wychwyt ditlenku węgla w odpowiednich formacjach geologicznych poprzez doprowadzenie do stadium węglanowego lub składowanie w wyrobiskach ropy naftowej i gazu.

42 Stan zaawansowania technologii biopaliw

43 Paliwa alternatywne z procesów zgazowania

44 Synteza Fischer-Tropscha synteza FT Technologie otrzymywania paliw alternatywnych oparte są na procesie syntezy Fischer-Tropscha w jej różnych odmianach, w której surowcami są tlenek węgla i wodór, a produktami węglowodory alifatyczne i woda w myśl reakcji: prowadzonej w obecności katalizatora kobaltowego: CO + 2H2 = (-CH2-) + H2O prowadzonej z nadmiarem tlenku węgla w obecności katalizatora żelazowego: 2CO + 2H2 = (-CH2-) + CO2

45 Technologie GtL Technologia GtL (gas-to-liquids) polega na kilkuetapowej sekwencji zintegrowanych procesów prowadzących od metanu do węglowodorów o większej masie cząsteczkowej (-CH 2 -) wchodzących w skład otrzymywanych paliw ciekłych (C 3 -C 18 ), od gazu płynnego (LPG) do olejów napędowych oraz tzw. wosku parafinowego (C 21+ ) tworzącego się w produktach syntezy Fischera-Tropscha.

46 Schemat technologii GtL

47 Technologie CtL ( upłynnianie węgla ) 1. Upłynnianie bezpośrednie węgla polega na reakcjach węgla z wodorem prowadzonych w ostrych warunkach (>400 C, >10MPa, odpowiedni katalizator), najczęściej w obecności ciekłych rozpuszczalników. Od połowy lat 70-tych do pierwszych lat osiemdziesiątych brane ono było pod uwagę, w związku z wysokim poziomem cen ropy naftowej. Za obiecujące uznawane były procesy Gulf Oil (SRC), Exxon Donor Solvent, H-Coal, które były badane w instalacjach pilotowych. 2. Upłynnianie pośrednie: zgazowanie węgla do gazu syntezowego i synteza Fischera-Tropscha określane akronimem (CTL/F-T). W niektórych publikacjach spotyka się też określenie: CTLF refinery (Coal-To-Liquid Fuels), co można umownie przetłumaczyć na rafineria węglowa.

48 Schemat technologii CtL

49 DME jako paliwo alternatywne DME (eter dimetylowy) jest najprostszym eterem o wzorze sumarycznym C 2 H 6 O; Jest paliwem drugiej generacji, przeznaczonym do stosowania w silnikach o zapłonie samoczynnym (ZS); Jest to nietoksyczny i bezbarwny gaz, łatwo ulegający skropleniu (w warunkach normalnych).

50 DME - surowce węgiel kamienny; węgiel brunatny; gaz ziemny z mega-źródeł ; gaz rafineryjny; biogaz; biomasa (lignoceluloza); tworzywa sztuczne; metanol.

51 Otrzymywanie DME

52 Emisyjność DME DME jest co najmniej pięciokrotnie mniej emisyjny w porównaniu do benzyny, diesla, FT-diesla i DME, którego emisyjność jest na poziomie aktualnie eksploatowanych paliw (zarówno w przypadku pojazdów LDV i HDV); Emisja g/kwh NO x HC CO PM Silnik napędzany DME 3,0 0,25 0,12 <0,02 Silnik Euro II (diesel) 6,2 0,18 0,43 <0,07

53 Zalety DME jako paliwa brak wpływu na warstwę ozonową; łatwo degradowalny w troposferze do CO 2 i H 2 O; nietoksyczny dla człowieka (nie zawiera żadnych związków toksycznych); nie działa drażniąco na oczy i drogi oddechowe; nie jest kancerogenny, mutagenny i nie powoduje korozji; DME można produkować z dostępnych paliw kopalnych, a także z surowców odnawialnych, takich jak odpady i drewno, poprzez biogaz i metanol; biodme (DME z biomasy) można dodawać do DME, produkowanego z surowców kopalnych; ma wysoką liczbę cetanową; ma wysoką prężność par w temperaturze otoczenia; charakteryzuje się dużą zawartością tlenu, małym stosunkiem węgla do wodoru oraz brakiem wiązań węgiel-węgiel; pozwala na jednoczesną redukcję NO x oraz PM do poziomów spełniających wymagania aktualnych i przyszłych przepisów; może być używany jako dodatek do paliw alternatywnych i biopaliw, zawierających metanol; może być rozważany jako źródło wodoru do ogniw paliwowych;

54 Wady DME jako paliwa wymaga zastosowania specjalnego układu zasilania i wtrysku paliwa; wymaga filtrowania przed wtryskiem do komory spalania; ma znacznie mniejszą lepkość niż ON, w związku z tym wymaga stosowania dodatku przeciwzużyciowego; ma tendencję do wywoływania kawitacji w systemie wtrysku paliwa; działa chemicznie na niektóre, powszechnie stosowane uszczelnienia i materiały (jest bardziej reaktywny niż LPG); ma znacznie większą ściśliwość niż ON; w jednostce objętości zawiera mniej energii (ok. 1,8 razy) niż ON; wymaga budowy specjalnej sieci dystrybucji; jako paliwo silnikowe wymaga normalizacji.

55 Otrzymywanie metanolu i syntetycznych węglowodorów Katalityczne przetwarzanie odpadowego ditlenku węgla z wodorem do metanolu: CO 2 + 3H 2 = CH 3 OH + H 2 O - ΔH Katalityczne przetwarzanie odpadowego ditlenku węgla z wodorem do mieszaniny syntetycznych węglowodorów: CO 2 + 3H 2 = (H-C-H) + 2H 2 O - ΔH Katalityczne procesy otrzymywania gazu syntezowego z ditlenku węgla i pary wodnej, z wykorzystaniem energii słonecznej ( solarfuels )

56 CNG (SNG) zalety i wady (1) ZALETY (predyspozycje) WADY (ograniczenia) 1. Przyjazny dla środowiska: mniejsza emisja CO 2 przy spalaniu, mniejsza zawartość HC, CO,NO x i PM w spalinach, nietoksyczny dla organizmów żywych, Nie zatruwa wód i gleb w przypadku przedostania się z układu transportowomagazynowego, Brak emisji związków siarki w spalinach, Mniejsza emisja aldehydów. 1. Wyższy koszt silnika i pojazdu niż przy zasilaniu paliwem ciekłym. 2. Gorsze osiągi pojazdu (o ok.10%) i mniejszy zasięg przy takiej samej objętości zbiornika paliwa pojazdu. 3. Konieczność sprężania, co wymaga dodatkowego zużycia energii (0,16kWh/m 3 ). 4. Skomplikowany sposób napełniania i magazynowania w zbiorniku pojazdu (większe i bardziej wytrzymałe zbiorniki niż do paliw ciekłych. 56

57 CNG (SNG) zalety i wady (2) ZALETY (predyspozycje) WADY (ograniczenia) 2. Dobre parametry funkcjonalne: bardzo dobra odporność na spalanie stukowe (duża wartość LO), dobre właściwości rozruchowe w niskiej temperaturze, pełne spalanie. nie spłukiwanie oleju smarnego z powierzchni tulei cylindrów i brak rozcieńczania oleju, większa wartość opałowa z jednostki masy niż paliw ciekłych, zmniejszona emisja hałasu podczas pracy silnika. 5. Utrudnione dopalanie katalityczne metanu, wymagające specjalnych katalizatorów. 6. Dłuższy czas napełniania zbiorników pojazdu (tankowania) niż paliw ciekłych. 7. Rzadka sieć stacji napełniania (tankowania). 8. Wzrost masy pojazdu spowodowany przez duże i wytrzymałe zbiorniki paliwa, co pogarsza ekonomikę zużycia paliwa. 57

58 CNG (SNG) zalety i wady (3) ZALETY (predyspozycje) WADY (ograniczenia) 3. Bezpieczny w czasie użytkowania: wysoka temperatura zapłonu, palny przy stężeniu w powietrzu %, lżejszy od powietrza, szybko unosi się i rozprzestrzenia nad miejscem wycieku. 4. Możliwość pozyskiwania z różnych źródeł, w tym z odnawialnych. Nie wymaga skomplikowanego procesu przeróbki surowca (ropy naftowej) jak paliwa ciekłe. 9. Prędkość spalania jest mniejsza niż benzyny. 10. CNG absorbuje parę wodną, która przy odpowiednich warunkach przechodzi w ciecz i może krzepnąć. 11. Ulatniający się do atmosfery metan powoduje wzrost intensywności niszczenia warstwy ozonowej i efektu cieplarnianego (i to intensywniej niż CO 2 ). 58

59 DMF paliwo alternatywne do silników o ZI 2,5-dimetylofuran (DMF) jest pochodną furanu, o wzorze stechiometrycznym C 6 H 8 O; 100%-owe biopaliwo drugiej generacji przeznaczone do stosowania w silnikach o zapłonie iskrowym (ZI); 59

60 Otrzymywanie DMF Podstawowym surowcem do produkcji DMF będą polisacharydy: celuloza i skrobia. Poprzez procesy defragmentacji łańcuchów wielocukrowych otrzymuje się glukozę (następnie przekształcaną we fruktozę w reakcji izomeryzacji przy użyciu katalizatorów enzymatycznych), bądź od razu we fruktozę. Proces otrzymywania DMF z fruktozy jest dwuetapowy: 1. Fruktoza w procesie dehydratacji przechodzi w HMF, czyli 5-hydroksymetylofurfural (proces usunięcia 3 atomów tlenu); 2. HMF w procesie hydrogenolizy, w obecności katalizatora miedziano-rutenowego (CuRu) jest przekształcony w DMF (proces usunięcia 2 atomów tlenu). 60

61 Zalety DMF jako paliwa jest nietoksyczny (CAS ), (EINECS ); nie zawiera siarki, fosforu oraz metali; nie zawiera benzenu i WWA; jest całkowicie rozpuszczalny w węglowodorach oraz innych związkach tlenowych, stosowanych w składzie paliw silnikowych; praktycznie nierozpuszczalny w wodzie; jego wartość opałowa jest o 40% większa od wartości opałowej etanolu; może być stosowany jako rozpuszczalnik wielu substancji oraz składnik lakierów; stabilny chemicznie; DMF można produkować z odpadowej celulozy oraz odpadowej skrobi, a także z innych surowców odnawialnych, zawierających polisacharydy oraz cukry; DMF można dodawać do benzyny węglowodorowej jako komponent tlenowy (dopuszczalne proporcje mieszania nie są jeszcze ustalone). Ma on wysoką liczbę oktanową oraz temperaturę wrzenia i topnienia, co czyni go szczególnie odpowiednim komponentem paliw do silników o zapłonie iskrowym; jego stosowanie nie wymaga żadnych zmian w konstrukcji silników, układów zasilania oraz systemów dystrybucji. 61

62 Wady DMF jako paliwa technologie produkcji DMF są na bardzo wczesnym etapie rozwoju, a ich implikacje finansowe nie są jeszcze znane; DMF może działać chemicznie na niektóre, powszechnie stosowane uszczelnienia i inne elementy pojazdu, wykonane z tworzyw sztucznych, stąd powstaje problem trwałości układu zasilania i niektórych elementów układu dystrybucji; aktualnie brak jest specyfikacji (normy) na DMF jako komponentu paliwa. Może również okazać się niezbędne opracowanie specyficznych norm czynnościowych na niektóre metody badań lub pobieranie próbek; w praktyce nie są dostępne publikacje, dotyczące rezultatów testów silnikowych oraz testów pojazdów w cyklach jezdnych, a także badań eksploatacyjnych na paliwach zawierających DMF. Należy się więc liczyć z koniecznością przeprowadzenia takich badań; brak rezultatów badań oceny wpływu DMF na emisje składników toksycznych do atmosfery; brak ocen emisji gazów cieplarnianych (GHG) w układzie od źródła do koła (Well to Wheel); brak ocen ekonomiczności produkcji DMF. 62

63 Charakterystyka wodoru jako paliwa gazowy wodór ma bardzo małą gęstość - 0,08987 g/dm 3, jest lżejszy od powietrza; skroplony wodór wykazuje najmniejsza gęstość spośród wszystkich cieczy, a stały wodór najmniejszą gęstość spośród ciał stałych; pali się bezbarwnym, bezwonnym, niewidocznym płomieniem, a jego spalanie w tlenie nie powoduje emisji szkodliwych substancji (w powietrzu >NOx); wodór gazowy zachowuje się w niskich temperaturach jak gaz doskonały i doskonale przewodzi ciepło; słabo rozpuszcza się w wodzie i w większości innych rozpuszczalników; w wyniku specyficznych oddziaływań wodór jest dość silnie wchłaniany przez wiele metali; wartość opałowa wodoru jest wysoka i wynosi ok. 120 MJ/kg (węgiel 25 MJ/kg, benzyna 47 MJ/kg); 63

64 Otrzymywanie wodoru (1) Elektroliza wody to proces rozkładu wody prądem elektrycznym w celu otrzymywania wodoru i tlenu. Reakcja elektrolizy zachodzi wg równania: 2H 2 O 2H 2 + O 2 proces elektrolizy jest bardzo wydajny, a powstały podczas tego procesu pierwiastek charakteryzuje się wysoką czystością dochodzącą nawet do 99,9%; sprawność wodoru wytwarzanego podczas procesu elektrolizy jest na poziomie 38-40% w warunkach optymalnych; jest procesem mało sprawnym energetycznie. 64

65 Otrzymywanie wodoru (2) Reforming parowy metanu polega na przepuszczaniu par surowca i pary wodnej przez złoże katalizatora; proces katalizuje się substancją zawierającą 5-30% Ni osadzonego na α - tlenku glinu lub na tlenkach krzemu i magnezu; jest jedną z najpopularniejszych metod otrzymywania wodoru; proces jest silnie endotermiczny. Wodór z metanu metan, składnik gazu ziemnego, doskonale nadaje się do produkcji wodoru; proces produkcja wodoru z metanu polega na katalitycznej konwersji metanu i przebiega zgodnie z reakcją: CH 4 + H 2 O CO 2 + 3H 2 65

66 Otrzymywanie wodoru (3) Zgazowanie biomasy wyróżnia się 3 rodzaje biomasy służącej do produkcji wodoru: a) zawierająca cukry proste dicukry, b) skrobiowa, c) lignocelulozowa; tradycyjne zgazowanie biomasy przebiega w temperaturze 600 C w obecności tlenu, powietrza lub pary wodnej; wilgotność biomasy na poziomie 10-15%; w wyniku zgazowania powstaje gaz, który jest mieszaniną wodoru, tlenku węgla, ditlenku węgla, metanu i węglowodorów; możliwe jest wykorzystanie odpadów z przemysłu mleczarskiego przy użyciu odpowiednich szczepów bakterii. W procesie katalitycznej przeróbki ditlenku węgla: CO 2 + CH 4 = 2CO + 2H 2 CO + H 2 O = CO 2 + H 2 66

67 Magazynowanie i dystrybucja wodoru Ze względu na szczególne właściwości wodoru, jego dystrybucja nie jest prostym zadaniem. Nie może się ona odbywać się z użyciem tych samych instalacji, które służą do przesyłania gazu ziemnego. Związane jest to z tym, że cząsteczki wodoru ze względu na swoje małe rozmiary mają zdolność przenikania przez materiały konstrukcyjne. Magazynowanie w postaci sprężonego gazu jedna z najbardziej rozpowszechnionych metod przechowywania wodoru; wodór powinien być przechowywany w temperaturze ok. 298 K i ciśnieniu 8-16 MPa; ze względu na bezpieczeństwo, metoda ta wymaga zastosowania zbiorników o wysokiej wytrzymałości; sprężony wodór może być magazynowany między innymi w kawernach w złożach soli, a także w zbiornikach z włókien. 67

68 Schemat technologii HTU (Hydro-Thermal Upgrading) 68

69 Przyszłość paliw alternatywnych Procesy xtl Surowce: wszelkie substancje odpadowe, w tym odpadowa biomasa, a także odpady przemysłowe, węgiel gaz ziemny, gas łupkowy, gas popirolityczny, gaz syntezowy, gazy przemysłowe, gazy kopalniane ditlenek węgla, para wodna Rośliny energetyczne: Lnicznik, jatrofa, halofity i algi 69

70 recepcja : sekretariat: fax.: ul. Jagiellońska Warszawa info@pimot.org.pl Dziękuję za uwagę. Krzysztof Biernat k.biernat@pimot.eu tel: