DOBÓR SUROWCA DO PRODUKCJI BIOPALIW DO POJAZDÓW ROLNICZYCH

INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE 14 ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS 14 Wojciech Golimowski DOBÓR SUROWCA DO PRODUKCJI BIOPALIW DO POJAZDÓW ROLNICZYCH RAW MATERIAL SELECTION FOR PRODUCTION OF BIOFUEL FOR AGRICULTURAL VEHICLES Falenty 2013 WYDAWNICTWO ITP

INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel./fax 22 628-37-63; www.itep.edu.pl; e-mail: itep@itep.edu.pl DYREKTOR INSTYTUTU prof. dr hab. Edmund Kaca Oddział w Poznaniu ul. Biskupińska 67, 60-463 Poznań tel. 61 820-33-31 Kierownik Oddziału prof. dr hab. J. Lech Jugowar KOLEGIUM REDAKCYJNE prof. dr hab. Aleksander Szeptycki przewodniczący prof. dr hab. J. Lech Jugowar prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki prof. dr hab. Jan Pawlak prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki Recenzenci prof. dr hab. Anna Grzybek, prof. dr hab. Adam Koniuszy Kierownik Działu Wydawnictw: dr hab. inż. Halina Jankowska-Huflejt Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt Opracowanie redakcyjne: Grażyna Pucek Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2013 ISBN 978-83-62416-63-9 ISSN 2083-9545 Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel. 22 720-05-98; www.itep.edu.pl; e-mail: wydawnictwo@itep.edu.pl Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna Gimpo 02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 6,3. Nakład 200 egz.

Spis treści Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń... 6 1. WSTĘP I GENEZA PODJĘCIA TEMATU... 9 2. AKTUALNY STAN WIEDZY... 12 2.1. Biopaliwa płynne w Polsce... 12 2.2. Źródła tłuszczów do produkcji biopaliw... 12 2.3. Technologie wytwarzania biopaliw z tłuszczów... 17 2.4. Fizykochemiczne właściwości tłuszczów... 21 2.5. Charakterystyka produktów ubocznych powstających w wyniku transestryfikacji... 24 2.6. Fizykochemiczne właściwości biopaliw z tłuszczów... 25 2.7. Wpływ biopaliw na parametry energetyczne silników z zapłonem samoczynnym... 27 2.8. Emisja spalin przez silniki zasilane biopaliwami... 31 3. PODSUMOWANIE PRZEGLĄDU LITERATURY ORAZ SFORMUŁOWANIE PROBLEMU BADAWCZEGO... 33 4. CEL I ZAKRES PRACY... 35 5. METODYKA BADAŃ... 36 5.1. Sposób realizacji badań... 36 5.2. Metodyka badań właściwości fizykochemicznych tłuszczów... 38 5.3. Metodyka badań rozkładu lepkości dynamicznej w funkcji temperatury... 42 5.4. Metodyka prowadzenia reakcji transestryfikacji i analizy jakości powstałych estrów metylowych... 43 5.5. Metodyka badań porównawczych wpływu biopaliw na pracę silnika ZS w ciągnikach rolniczych... 46 5.6. Metodyka badań zapotrzebowania rolnictwa na tłuszcze do produkcji biopaliw... 48 6. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ... 50 6.1. Algorytm doboru surowca do produkcji paliw rolniczych... 50 6.2. Ocena przydatności tłuszczów do produkcji biopaliw... 57 6.3. Parametry energetyczne silnika z zapłonem samoczynnym... 66 6.4. Zapotrzebowanie polskiego rolnictwa na biopaliwa... 71 7. PODSUMOWANIE... 73 8. WNIOSKI... 76 9. BIBLIOGRAFIA... 77 Streszczenie... 83 ZAŁĄCZNIKI 1 6... 87

Contents List of major abbreviations and terms... 6 1. INTRODUCTION AND BACKGROUND OF THE SUBJECT GENESIS OF THE SUBJECT... 9 2. CURRENT KNOWLEDGE... 12 2.1. Liquid biofuels in Poland... 12 2.2. Sources of fats for biofuel production... 12 2.3. Technologies of producing biofuels from fats... 17 2.4. Physicochemical properties of fats... 21 2.5. Characteristics of by-products of transesterification... 24 2.6. Physicochemical properties of biofuels from fats... 25 2.7. Influence of biofuels on energetic parameters of self-ignition engines... 27 2.8. Fumes emitted by engines powered by biofuels... 31 3. SUMMARY OF LITERATURE REVIEW AND FORMULATION OF THE RESEARCH PROBLEM... 33 4. PURPOSE AND SCOPE OF RESEARCH... 35 5. RESEARCH METHOD... 36 5.1. The study plan... 36 5.2. Methodology of research on physicochemical properties of fats... 38 5.3. Method of research on dynamic viscosity as a function of temperature... 42 5.4. Method of conducting transesterification reactions and qualitative analysis of produced methyl esters... 43 5.5. Methodology of comparative research of the influence of biofuels on the operation of self-ignition engines in agricultural tractors... 46 5.6. Method of research on agricultural demand for fats for biofuels production... 48 6. ANALYSIS OF TEST RESULTS... 50 6.1. Algorithm of selecting raw materials for production of agricultural fuels... 50 6.2. Evaluation of the usefulness of fats for the production of biofuels... 57 6.3. Energetic parameters of self-ignition engine... 66 6.4. Demand of Polish agriculture for biofuels... 71 7. RECAPITULATION... 73 8. FINAL CONCLUSIONS... 76 9. BIBLIOGRAPHY... 77 Summary... 85 APPENDIXES 1 6... 87

Streszczenie Streszczenie Unia Europejska jest liderem wśród producentów biodiesla na świecie. Biopaliwa wytwarzane są głównie z olejów roślinnych, wykorzystywanych również do produkcji artykułów spożywczych. Wzrost popytu na alternatywne paliwa pędne, wynikający z coraz wyższych cen ropy naftowej, jest istotnym czynnikiem wpływającym na rozwój rynku biopaliw. W efekcie popyt na nasiona roślin oleistych również wzrasta, co skutkuje wzrostem cen żywności. Dlatego uzasadnionym działaniem jest zagospodarowanie tłuszczów niejadalnych do produkcji biopaliw. Celem badań prezentowanych w pracy było opracowanie narzędzia umożliwiającego identyfikację tłuszczów różnego rodzaju do produkcji biopaliw do pojazdów rolniczych oraz określenie ilości tłuszczów pozwalającej zastąpić olej napędowy zużywany przez producentów rolnych w Polsce. Działanie opracowanego narzędzia zweryfikowano, wykorzystując sześć różnych tłuszczów: OR olej rzepakowy, OS olej słonecznikowy, OK olej kukurydziany, OP olej posmażalniczy, TWW tłuszcz wołowo-wieprzowy i TD tłuszcz drobiowy. W pracy przedstawiono opracowane przez autora narzędzie składające się z diagramu, na podstawie którego pogrupowano tłuszcze w zależności od źródeł ich pochodzenia, i algorytmu doboru surowca. Narzędzie ma służyć do oceny przydatności tłuszczów z lokalnych źródeł do zasilania nimi silników pojazdów rolniczych pracujących w obrębie gospodarstw rolnych (wytwarzanie biopaliw na własne potrzeby). Pierwszym elementem opracowanego narzędzia jest diagram, opisujący strukturę rynku tłuszczów w Polsce, z którego wynika pogrupowanie tłuszczów. Wydzielono następujące grupy tłuszczów: oleje roślinne, tłuszcze zwierzęce, tłuszcze garmażeryjne oraz inne tłuszcze. Do ostatniej grupy należą mieszaniny tłuszczów nieznanego pochodzenia i składu. Algorytm doboru surowca składa się z trzech części: wykluczenie przydatności tłuszczów do spożycia, określenie jakości surowca energetycznego do wytwarzania biopaliw, analiza możliwości zastosowania tłuszczu do zasilania silników pojazdów rolniczych. Wynikiem pierwszej części jest produkt energetyczny w postaci tłuszczów niejadalnych, drugiej tłuszcz techniczny, trzeciej biopaliwo typu A lub B. Biopaliwo typu A to estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych do zasilania bez konieczności ich adaptacji do tego paliwa silników pojazdów rolniczych, biopaliwo typu B TAG w czystej postaci do zasilania specjalnie przystosowanych do tego rodzaju paliwa silników w pojazdach rolniczych. Wskaźnikiem decydującym o przeznaczeniu surowca do produkcji biopaliw typu A lub B, zaproponowanym przez autora, jest pole powierzchni pod wykresem funkcji wykładniczej lepkości dynamicznej w przedziale temperatury od 20 do 100 C (temperatura eksploatacyjna paliwa). Wartość 12 Pa s C była progiem decydującym o wyborze rodzaju biopaliw wytwarzanych z tłuszczów; postawiono warunek: typ A > 12 Pa s C > typ B. Oleje roślinne kwalifikowały się do bezpośredniego użycia jako biopaliwa (biopaliwo typu B), oleje posmażalnicze i warunkowo tłuszcze zwierzęce kwalifikowały się do wykorzystania jako biopaliwo pod postacią estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych. Biopaliwa z tłuszczów zwierzęcych, mimo ich transestryfikacji, charakteryzowały się wysoką temperaturą zablokowania zimnego filtra TZZF na poziomie 5 C (estry metylowe z tłuszczu drobiowego i 10 C (estry metylowe z tłuszczu wołowo-wieprzowego). Dodatek oleju napędowego wynoszący odpowiednio 25 i 46% obniżył ją do 0 C w obu przypadkach. 83

Streszczenie Na podstawie przeprowadzonych badań nad estryfikacją tłuszczów i wpływem biopaliw na parametry energetyczne silnika ZS w pojeździe rolniczym stwierdzono, że na zastąpienie 1 kg oleju napędowego trzeba 1,15 kg paliwa typu A albo 1,19 kg, albo 1,48 odpowiednio olejów posmażalniczych lub tłuszczów zwierzęcych (paliwa typu B). Pełne zastąpienie oleju napędowego zużywanego w polskim rolnictwie wymagałoby zużycia 1,61 mln t tłuszczów garmażeryjnych albo 2,00 mln t tłuszczów zwierzęcych, albo 1,57 mln t olejów roślinnych. Realne zastąpienie oleju napędowego tłuszczami garmażeryjnymi szacuje się obecnie na poziomie 1%, tłuszczami zwierzęcymi na poziomie 9%. Słowa kluczowe: olej roślinny, biopaliwa, estry metylowe wyższych kwasów tłuszczowych (FAME), olej posmażalniczy, tłuszcz zwierzęcy 84

Summary Summary The European Union is a leader amongst biodiesel producers in the world. Biofuels are primarily made from vegetable oils that are also used to produce food products. An increase in demand for alternative fuels caused by higher and higher oil prices is a crucial element affecting the development of the biofuel market. In effect, a demand for oil seeds also grows and hence prices for food product rise. Therefore, it is a reasonable action to use inedible fats to produce biofuels. The aim of the research presented in this study was to develop a tool for identifying various types of fat used to produce biofuels for agricultural vehicles and for determining a quantity of fat enough to replace diesel oil used by agricultural manufacturers in Poland. There were tested selected samples to verify the operation of the designed tool. Six various fats were used to carry out this verification: rapeseed oil (OR), sunflower oil (OS), corn oil (OK), waste cooking oil (OP), beef and pork fat (TWW) and poultry fat (TD). The author of this study presented the developed tool comprising the raw material selection algorithm and diagram. The developed tool is to be used to evaluate the suitability of fats stemming from local sources to power engines of agricultural vehicles operating on farms (production of biofuels for own purposes). The first element of this tool is a diagram that describes a structure of the fat market in Poland and forms the basis for grouping fats. Fats were divided into the following groups: vegetable oils, animal and by-product fats and others. The last group comprises mixtures of fats of unknown origin and content. The raw material selection algorithm consists of three parts: suitability of edible fats, quality of energetic fats used to produce biofuels, and possibility to use fats to power engines of agricultural vehicles. The result of the first part is an energetic product in a form of inedible fats, of the second part technical fat, of the third part A- or B-type biofuel. A-type biofuel methyl esters of higher fatty acids used to power engines of agricultural vehicles without the need to adjust them to this fuel, B-type biofuel TAG in a form of oils or fats to power engines specially adjusted to this type of fuel in agricultural vehicles. The author recommends that a crucial indicator that affects the decision about the use of the raw material to produce A-or B-type biofuels is an area under the area of the exponential function of dynamic viscosity with a temperature range from 20 C to 100 C (fuel operating temperature). Value 12 Pa s C was a threshold that affects the decision about choosing a type of biofuels produced from fats; the following requirement was made: A-type > 12 Pa s C > B-type. Vegetable oils applied in research were qualified as biofuels for direct use (B-type biofuel), cooking oil and conditionally animal fats were qualified as biofuels in a form of methyl esters of higher fatty acids. Biofuels from animal fats, despite being subject to transesterification, were characterized by high cold filter plugging point CFPP at 5 C (methyl ester of poultry fat) and at 10 C (methyl ester of beef and pork fat). A diesel oil additive equalling to 25% and 46% respectively decreased it to 0 C in both cases. On the basis of the conducted tests on the fat esterification and influence of biofuels on energetic parameters of the self-ignition engine in the agricultural vehicle it was proved that in order to replace 1 kg of diesel fuel it is necessary to use 1.15 kg of 85

Summary A-type fuel or 1.19 kg of or 1.48 kg of B-type fuel in a form of respectively cooking fats or animal fats. In order to completely replace diesel fuel used in Polish agriculture, it would be necessary to use 1.61 million tonnes of by-product fats or 2.00 million tonnes of animal fats or 1.57 million tonnes of vegetable oils. At this moment, the real replacement of diesel oil with by-product fats is estimated to equal to 1% and with animal fats 9%. Key words: vegetable oil, biofuels, FAME, cooking oil, animals fat 86