Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Obnoviteľné zdroje energie / Biopalivá

Zmesné palivá namiesto bionafty

18-09-2020
prof. Ing. Anton Žikla, CSc.; doc. Ing. Ján Kosiba, PhD. | jan.kosiba@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

S odstupom času možno konštatovať, že čo sa týka výroby a využitia bionafty vo forme metylesteru repkového oleja (MERO) boli prognózy príliš optimistické, ba dokonca až prehnané. Prílišný optimizmus vyplýval zrejme z toho, že na Slovensku do roku 1990 neboli prakticky žiadne skúsenosti s biopalivami. V tejto súvislosti treba spomenúť aj bioplyn a biomasu, v rámci celého komplexu alternatívnych zdrojov energie. Po roku 1990 sa realizoval aj vývoz balíkovanej slamy do Rakúska na energetické účely.

Špecifické postavenie v minulosti mal, ale aj v súčasnosti má bioplyn, pretože firma FPT Industrial vyvinula tzv. modulárny motor v dvoch verziách s typovým označením N67 NG a F28 NG. Tento motor je prispôsobený na spaľovanie bioplynu, stlačeného zemného plynu (CNG) i skvapalneného zemného plynu (LNG). Prvý sériovo vyrábaný traktor na bioplyn ponúka NEW HOLLAND s označením Methane Power.

Problematická bionafta (MERO)

Na začiatku bionaftovej éry sa uvádzali spravidla nasledovné výhody súvisiace s výrobou a využitím bionafty:

  • pozitívna energetická bilancia
  • znižovanie škodlivých emisií vo výfukových plynoch
  • hospodárne a ekologické využitie pôdy
  • bezpečná a ekologická manipulácia

Vyššie uvedené výhody boli podrobnejšie analyzované v Modernej mechanizácii č.1/2020. V tejto súvislosti treba poznamenať, že okrem vyššej výrobnej ceny bionafty, oproti štandardnej motorovej nafte, žiadne nevýhody resp. negatívne vlastnosti bionafty neboli prezentované. Totižto z objektívnych dôvodov ani nemohli byť prezentované, pretože na začiatku sa ešte v plnom rozsahu neprejavili. Prvé negatívne vlastnosti bionafty technického a prevádzkového charakteru sa začali prejavovať v tých prípadoch, keď sa bionafta začala používať na neupravených vznetových motoroch, či už traktorových, alebo vozidlových. Pri nižšej vonkajšej teplote, prakticky už okolo nuly, sa znížila prietoková schopnosť palivových čističov, čím bol obmedzený prietok paliva do vstrekovacieho systému  a následne pokles výkonu motora. Tento problém bol do určitej miery odstránený ohrevom paliva výfukovými plynmi, alebo elektricky. Takže úprava vznetového motora pre použitie čistého paliva MERO je nevyhnutná, pretože viskozita tohto biopaliva veľmi závisí na teplote, jednoducho povedané pri nízkych teplotách biopalivo doslova hustne.

Samozrejme, že postupom času sa objavili aj ďalšie negatívne vlastnosti ako, znehodnocovanie pryžových tesnení, ktoré sa nahrádzali polyuretanovými. Taktiež dochádzalo k znehodnocovaniu motorového oleja, čo sa prejavovalo  jeho riedením a vyššou spotrebou najmä u motorov s opotrebovanou piestnou skupinou. Pri náhodnom styku bionafty s nitrocelulózovými lakmi dochádzalo k ich naleptávaniu. V dôsledku nižšej výhrevnosti bionafty (37 tisíc kJ), oproti štandardnej motorovej nafte (42 tisíc kJ) sa úmerne znížil aj výkon motora. Zníženie výkonu motora, nebolo vždy spôsobené iba nižšou výhrevnosťou bionafty, ale súčasne aj už spomenutou nižšou prietokovou schopnosťou čističov paliva.

Zmesné palivá

V snahe eliminovať, alebo aspoň čiastočne redukovať vyššie uvedené problémy a tiež vylúčiť úpravu vznetových motorov pre použitie čistej bionafty (MERO) sa pristúpilo k výrobe a použitiu tzv. zmesných palív. Prvým zmesným palivom u nás koncom minulého storočia bola bionafta s označením MDT, ktorá obsahovala minimálne 30 percent MERO a zvyšok tvorila štandardná motorová nafta NM – 4. Po určitých skúsenostiach s týmto zmesným palivom možno konštatovať, že takmer všetky problémové oblasti súvisiace s použitím bionafty MERO boli odstránené a niektoré výrazne redukované (sedimentácia pri dlhšom uskladnení a tiež znižovanie prietokovej schopnosti palivových čističov). Avšak za účelom ešte výraznejšieho odstránenia už spomenutých problémov, bolo k dispozícii ďalšie zmesné palivo s označením BIOMON 97, ktoré bolo trojzložkové. Všetky tri zložky: motorová nafta NM – 4, alifatické uhľovodíky a bionafta MERO boli rovnako zastúpené po jednej tretine. Alifatické uhľovodíky totiž neobsahujú benzénové jadro.

Experimentálne meranie technicko-exploatačných parametrov vznetového motora

Aby bolo možné stanoviť vplyv rôznych palív na technicko-exploatačné parametre naftového motora uskutočnili sme experimentálne meranie traktorového motora typ MD 8701.12 s nasledovnými druhmi palív

  • motorová nafta NM – 4
  • zmesné biopalivo BIOMON 97
  • biopalivo MERO

Hlavné technické parametre naftového neprelňovaného motora MD 8701.12:

vŕtanie
110 mm
zdvih
120 mm
počet valcov
6
objem valcov
6,84 dm3
menovitý výkon
84,8 kW
menovité otáčky
2200 min-1
maximálne otáčky
2420 min-1

V priebehu experimentálneho merania sme merali nasledovné parametre:

  • krútiaci moment motora Mk
  • otáčky motora n
  • spotrebu paliva Vp
  • dymenie d

Na základe nameraných parametrov sme ďalej vypočítali nasledovné parametre:

  • výkon motora Pe
  • hodinová spotreba paliva Mp
  • merná spotreba paliva mpe

Dosiahnuté výsledky

Ako vyplýva z grafického znázornenia na obr. 1, výkon motora Pe je pri použití motorovej nafty NM – 4 a biopaliva MERO takmer rovnaký a zistený rozdiel poklesu výkonu je cca 1 – 3 % v celom rozsahu otáčok. Pri použití zmesného paliva BIOMON 97 je pokles výkonu v porovnaní s motorovou naftou vyšší, a dosahuje hodnotu 3 – 5 % v celom rozsahu otáčok.

Obr. 1

Obr. 1: Priebeh výkonu Pe pre rôzne palivá

Z grafického znázornenia na obr. 2 vyplýva, že pri použití jednotlivých druhov palív aj priebeh krútiaceho momentu Mk korešponduje s priebehom výkonu motora Pe, pretože pri daných otáčkach je výkon motora jednoznačne určený hodnotou krútiaceho momentu.

Obr. 2

Obr. 2: Priebeh krútiaceho momentu Mk pre rôzne palivá

Čo sa týka hodinovej spotreby paliva Mp, táto podľa grafického znázornenia na obr. 3 v oblasti maximálneho výkonu motora sa pri použití biopaliva MERO zvýšila cca o 5 % v porovnaní s motorovou naftou NM – 4. Zaujímavá je skutočnosť, že pri použití zmesného paliva BIOMON 97 neboli v oblasti maximálneho výkonu motora zistené podstatné rozdiely, pričom pri nižších otáčkach než sú menovité tzn. v oblasti preťaženia je hodinová spotreba zmesného paliva BIOMON 97 v porovnaní s motorovou naftou NM – 4 nižšia cca o 2 až 2,5 %.

Obr. 3

Obr. 3: Priebeh hodinovej spotreby paliva Mp

Avšak ako vyplýva z grafického znázornenia na obr. 4, najnižšia spotreba paliva mpe je pri použití motorovej nafty NM – 4 a najvyššia pri použití biopaliva MERO. V oblasti maximálneho výkonu je pri použití biopaliva MERO zvýšenie mernej spotreby až 10 % oproti motorovej nafte NM – 4. Pri použití zmesného paliva BIOMON 97 je pri maximálnom výkone motora zvýšenie mernej spotreby cca 3 %.

Obr. 4

Obr. 4: Priebeh mernej spotreba mpe pre rôzne palivá

Podľa grafického znázornenia na obr. 5 najvýraznejšie zníženie dymenia d je pri použití biopaliva MERO a to až 52 % a pre zmesné palivo BIOMON 97 predstavuje zníženie dymenia v oblasti maximálneho výkonu tiež vysokú hodnotu a to 50 %. Vonkajšia otáčková charakteristika motora pre rôzne palivá je znázornená na obr. 6.

Obr. 5

Obr. 5: Priebeh dymenia d pre rôzne palivá

Obr. 6

Obr. 6: Vonkajšia otáčková charakteristika motora pre rôzne palivá

Záver

Z dosiahnutých výsledkov jednoznačne vyplýva, že použitie biopaliva MERO a zmesného paliva BIOMON 97 nemá podstatný vplyv na zníženie výkonu motora a zvýšenie spotreby paliva oproti motorovej nafte MN – 4. Užívateľ mobilnej techniky v bežných prevádzkových podmienkach nemusí ani takéto zníženie výkonu motora postrehnúť. Samozrejme, že pri znížení priepustnosti čističov paliva už môže dôjsť k rapídnemu zníženiu výkonu motora, čo bežný užívateľ mobilnej techniky určite postrehne.

Z ekologického hľadiska je použitie biopalív zvlášť významné, pretože dymenie sa zníži až o 50 percent, čo výsledky experimentálnych meraní potvrdili. Zníženie dymenia je zrejme spôsobené tým, že biopalivo MERO obsahuje 11 percent kyslíka, čo na druhej strane môže spôsobiť zvýšenie obsahu oxidov dusíka NOx vo výfukových plynoch.

Príspevok bol spracovaný na základe dostupných technických informácii a vlastných meraní.