Využití bioalkoholu

Jaroslav Kára

Zemědělství je na jedné straně spotřebitelem energií, na druhé zajišťuje transformaci sluneční i dodatkové energie na biologickou hmotu, která poskytuje energii k výživě lidí, pro zajištění jejich činností, nebo ve formě krmiv k výživě hospodářských zvířat. V současné době lze říci, že máme v naší zemi nadprodukci potravin. Zemědělství může a je schopno za určitých podmínek vyrábět na přibližně 500 tisících hektarů průmyslové a energetické plodiny. Pro výrobu bioetanolu lze využít cukernaté a škrobnaté plodiny, zejména cukrovku a obiloviny.
Alternativní motorová paliva

Zatím jsou nejdůležitější složkou motorových paliv uhlovodíky. Ukončení těžby ropy jako jejich hlavního zdroje je možné očekávat v následujících 40ti letech. Již dnes a výrazněji pak během příštích deseti let lze předpokládat vývoj spotřeby kapalných paliv z jiných zdrojů. V oficiálních odhadech se počítá s využitím alternativních motorových paliv na bázi rostlinných olejů a alkoholů (obnovitelné zdroje), synteticky připravených paliv z uhlí a dehtů, ropných písků, ropných plynů a zemního plynu.
Porovnání vlastností klasických a alternativních motorových paliv a jejich využití

Vlastnosti alternativních paliv ze zemědělské produkce jsou velmi podobné v porovnání s ostatními motorovými palivy ropného původu. Ropná paliva mají jiné složení. Fyzikální a chemické vlastnosti rostlinných olejů a jejich esterů jsou však velmi podobné motorové naftě a fyzikální a chemické vlastnosti alkoholů a jejich éterů jsou velmi podobné automobilovým benzinům. Použití čistých rostlinných olejů a alkoholů si vyžaduje speciální úpravu motorů. Užití esterů a éterů, ať již samostatně, nebo jako přídavků v palivových směsích úpravy nevyžaduje.
Bioetanol - líh jako pohonná látka již za první republiky

Líh k pohonu motorů se upravoval ve směsi, z nichž domácí přípravek vyráběný za první Československé republiky se nazýval dynalkol. Dynalkol byla směs 40 % etylalkoholu se 60 % benzénu. Kromě toho se vyráběl pro specielní účely dynalkol letecký, složený ze 44 % lihu, 44 % benzénu a 12 % petroleje. Tyto směsi se připravovaly v rafineriích za stálého dozoru finančních orgánů.

Pro tyto účely se užíval alkohol 96,7 %ní.

Benzén C6H6 je uhlovodík aromatické řady, získaný destilací kamenouhelného dehtu. Má měrnou hmotnost 885 kg. m-2, vře při 80,5 °C a tuhne při +3 °C až -3 °C; na dynalkol se používal benzen o čistotě 90 %.

Směs obou látek je velmi stálá a má měrnou hmotnost 850 kg. m-2 a bod tuhnutí pod -20 °C.

Startovatelnost byla velmi dobrá, chod motoru tichý bez rušivých rázů a vysoce pružný. Tvoření sazí, kouřivost i zaolejování svíček bylo minimální.

Jiné podobné směsi používané ve dvacátých a třicátých letech jsou: Etol, směs 50 % lihu, 25 % petroleje a 25 % etyléteru; natalit, směs 55 % lihu, 44,9 % etyléteru a 0,1 % amoniaku, carburant national (francouzský přípravek), směs 50 % lihu, 49,9 % benzénu nebo benzinu a 0,1 % amoniaku; Reichskraftstoff (německý přípravek) 50 % lihu, 30 % benzénu nebo benzinu a 20 % acetonu, nebo po 50 % lihu a acetonu apod.
Shrnutí současných zahraničních zkušeností s využitím bioetanolu jako komponentu motorových paliv
Etanol jako motorové palivo, či jeho přísada

Využití etanolu pro pohon zážehových motorů je v zásadě možné dvěma způsoby:
Etanol jako palivo
Etanol jako přísada.
Etanol jako palivo

První cestou se prakticky jako jediná na světě vydala Brazílie. Jako hlavní složku pohonných směsí využívá etanol. Program byl zahájen v roce 1975.

Ani zde se nepoužívá etanol jako jediná složka motorového paliva, v každém případě se jedná o pohon upravených zážehových motorů.

Používaná paliva (podmínkou je úprava motorů):
alkoholické (95 % vodného etanolu + 5 % autobenzinu),
směsné benzinové palivo (22 % bezvodého etanolu + 78 % autobenzinu),
směs "MEG" (33 % metanolu, 60 % etanolu, 7 % autobenzinu).

V roce 1994 brazilská vláda zdanila vývoz cukru (10 %), aby zvýhodnila jeho zpracování na etanol uvnitř státu a dala impuls k rozšíření výroby motorových paliv s etanolem

Tab. 1: Výroba etanolu v Brazílii, mld. LRok: 1975 1980 1985 1990 1993
Výroba etanolu 0,58 3,68 11,20 11,28 12,50


V roce 1989 bylo v Brazílii v provozu:
4,2 mil. aut na alkoholické palivo,
5,0 mil. aut na směsné benzinové palivo.

Vývojový trend však přeje směsnému benzinovému palivu, jak vyplývá z následujícího přehledu o výrobě upravovaných motorů v Brazílii a základnímu rozdělení jejich směrů užití.
Bioetanol pro palivářské užití V ČR V DNEŠNÍM OBDOBÍ
Benzinové motory

Současná spotřeba automobilních benzínů se pohybuje kolem 2 milionů tun.

Pro užití palivářského bioetanolu jsou dvě možnosti:
přimíchávání 5 - 7 % etanolu do bezolovnatých benzinů,
míchání 13-15 % hmotnostních ETBE (etyl-terc-butyl-éteru) do bezolovnatých benzinů typu Natural.

Při současné výrobní kapacitě lihovarského průmyslu asi 650 000 hl čistého lihu (65 000 m3) to představuje nárůst výrobní kapacity v nejoptimálnější variantě na přibližně trojnásobek.

Z hlediska zpracovatelů v petrochemickém průmyslu i prodejců je vhodnější použití ETBE. Proto se předpokládá uplatnění bioetanolu ve formě ETBE (jeho produkce se předpokládá v českém petrochemickém průmyslu), jehož přídavek do bezolovnatého autobenzinu by byl maximálně 15 % hmotnostních. Pro 1 mil. t autobenzinů (především bezolovnatých) je zapotřebí 150 tis. t ETBE, resp. 70 tis. t bioetanolu ročně, pro 2 mil. t autobenzinů pak 300 tis. t ETBE a 140 tis. t bioetanolu ročně.

Tyto hodnoty jsou ovšem maximálně možné. Je nutné uvažovat dovoz benzinů a výrobní možnosti.

První rafinérská přislíbila využít 50 000 t bioetanolu jako antidetonačního a oxidačního činidla do bezolovnatých benzinů (tj. 700 000 t benzinu s 15 % ETBE). Etanol se bude přepracovávat na éter, etyl-terc-butyl-éter (ETBE), který má výhodnější palivářské vlastnosti než samotný etanol a především neváže vodu, čímž lze předejít korozi skladovacích, přepravních a čerpacích zařízení. S přídavkem 15 % ETBE se vlastně přidává 7 % bioetanolu. Menší firmy nabízejí dnes výrobu benzinu typu natural s obsahem 5% kvasného lihu a 10% kosolventu, který rovněž omezuje usazování vody a předchází korozi. Pro spotřebitele jsou obě varianty prakticky stejné, neboť po kvalitativní stránce benzin v obou případech splňuje evropskou normu.
Vznětové motory

Využití bioetanolu pro pohon vznětových motorů - výroba etylesteru řepkového oleje EEŘO.

Záměr ověřit možnost uplatnění bioetanolu při výrobě esterů rostlinných olejů (zejména řepkového) byl pochopitelný, ale vždy narazil na bariéru cenového rozdílu bioetanol - metanol. Tento rozdíl cen je vždy natolik velký, že ovlivňuje nepříznivě alternativu EEŘO proti MEŘO. Navíc: motorářské vlastnosti se zřejmě tolik neliší (jde o předpoklad vyplývající z příbuzného chemického složení a několika málo pokusů). Tyto úvahy (tj. uplatnění EEŘO jako alternativy MEŘO) proběhly odbornou literaturou i v zahraničí. Je však třeba konstatovat, že v provozním měřítku se výroba EEŘO v EU neuplatnila. Důvodem byl zmíněný cenový rozdíl obou alkoholů. Po projednání materiálu MZe ČR o bioetanolu pro výrobu českého ETBE ve vládě ČR se situace radikálně změnila. Na svém červnovém zasedání roku 1998 vláda ČR odsouhlasila pro další přípravu programu základní principy státní ekonomické podpory: stát uhradí cenový rozdíl bioetanol-metanol.

Pokud by byl bioetanol za tuto cenu i pro výrobce esterů rostlinných olejů, stávají se výše uvedené úvahy o výrobě EEŘO reálnějšími. Výhodou je, že kromě úpravy technologického režimu reesterifikace lze využít stávající výrobní zařízení (v ČR je teoreticky k dispozici přes 100 tis t.r-1 kapacit MEŘO se spotřebou přes 10 tis. t metanolu). Na stávajících výrobních zařízeních je možné vyrábět jak MEŘO, tak EEŘO. Technologicky je třeba tuto úvahu přesněji ověřit, zejména při různých technologiích reesterifikace (s katalyzátorem KOH za běžné teploty, s katalyzátorem NaOH za 80 °C, příp.s etanoláty K nebo Na). Provozní zkouška výroby EEŘO v RPN Chrudim naznačila, že základ úvahy je správný, viz tabulka 2.

Tab. 2: Porovnání technických ukazatelů pro motorovou naftu, MEŘO s EEŘO (etylester řepkového oleje) z provozního pokusu ve výrobně MEŘO v RPN Chrudim
VLASTNOST
MOTOROVÁ NAFTA (ČSN EN 590)
MEŘO (ČSN 65 6507/Z1)
EEŘO (PROVOZNÍ POKUS)

Hustota, kg.m-3, 15 °C
820 - 860
870 - 890
879

Kinematická viskozita, mm2.s-1, 40 °C
2,0 - 4,50
3,5 - 5,0
4,78

Filtrovatelnost (CFPP), °C
+5, 0, -5, -10, -15, -20
max. -5
-5

Bod vzplanutí (PM), °C
min. 55
min. 110
86

Síra, % hm.
max. 0,05
max. 0,02
0,022

Voda, mg.kg-1
max. 200
max. 500
·

Obsah mech. nečistot, mg.kg-1
max. 24
max. 24
20

Conradsonův karb. zbytek (na vzorek), % hm.
max. 0,30 (10 % dest. zbytek)
max. 0,05
0,05

Popel, % hm.
max. 0,01
max. 0,02
0,02

Číslo kyselosti, mgKOH.g-1
·
max. 0,5
2,49

Korozivnost Cu (3 h/50°C)
1 třída
1 třída
1A třída

Celkový obsah glycerolu, % hm.
·
max. 0,24
0,069

Volný glycerol, % hm.
·
max. 0,02
0,003

Fosfor, mg.kg-1
·
max. 20
20

Cetanový index (inf.)
min. 46
min. 48
·

Číslo esterové (inf.) mgKOH.g-1
· 185 - 190

Alkalické kovy K, Na (inf.) mg.kg-1
·
max. 10
29

Výhřevnost (inf.) MJ/kg
43,36
37,1
37,64

Oxidační stabilita, g/m-3
max. 25
·
·

Destilace při

250 °C, % obj.
pod 65
do 300 °C 45 %

350 °C, % obj.
min. 85
·
do 360 °C 95 %

370 °C, % obj.
min. 95

Bod tuhnutí, °C
·
·
-12


Poznámka: Nevyhovující vysoké číslo kyselosti EEŘO je technologicky řešitelné.

Program BIOETANOL v podobě vládního materiálu předpokládá výrobu 650 tis. hl bioetanolu, tj. 51,0 tis. t bioetanolu. Nástavba programů OLEOPROGRAM-BIOETANOL (výroba EEŘO místo MEŘO) by předpokládala další spotřebu 10 tis. t bioetanolu.
Přímé použití etanolu pro pohon vznětových motorů (možnost výrazného snížení emisí škodlivin)

Kvasný etanol (bioetanol) má proti motorové naftě o 35 % horší výhřevnost, a tím i vyšší měrnou spotřebu v motorech. Z tohoto pohledu daleko lépe vycházejí metylestery řepkového oleje jako alternativní palivo do vznětových motorů.

Přesto jsou známé provozní aplikace bioetanolu ve vznětových motorech. Důvodem k jeho uplatnění je velmi příznivé složení emisí (zejména nízká je kouřivost). Obecně je možné snižovat výsledné emise konstrukčními zásahy v motoru, použitím katalyzátorů a v neposlední řadě vhodným složením (formulací) paliv. Bioetanolové palivo (přibližně 90 % bioetanolu, kolem 5 % přísady AVOCET (AVOCET - obchodní označení přísady obsahující 80 % nitroesteru, 18 % metanolu, 2 % antikorozní a jiné přísady; výrobce: ICI) jako urychlovače zapalování, zbytek organické alkoholy jako denaturační přísady) má sice o 25 % nižší cenu než motorová nafta (při zohlednění daňového osvobození bioetanolu), ale o 35 % vyšší spotřebu vztaženou na stejný energetický obsah měrné jednotky paliva, (1 l motorové nafty odpovídá 1,34 l bioetanolu).

Provozní zkoušky obdobného charakteru ve Švédsku vykazují v městských autobusech srovnatelné výsledky. Motor (SAAB - SCANIA DSI 11 E) je rovněž konstrukčně upraven a je vybaven katalyzátorem.

Používání paliva v městské dopravě je příznivější k životnímu prostředí z hlediska složení emisí a kouřivosti, ale provoz je dražší proti motorové naftě i "bionaftě" (metylesterům řepkového oleje).
Výsledky měření emisí a kouřivosti

Hlavní výsledky provedených měření provedených ve spolupráci VÚZT a TU Liberec uvádíme v následujících dvou obrázcích 1 a 2. Při zkouškách byl motor provozován s palivy uvedenými v následující tabulce:

Tab. 3: Použitá motorová paliva
1
Nafta motorová (ČSN EN 590, resp. ČSN 65 6506)
NM

2
Metylestery řepkového oleje (ČSN 65 6507)
MEŘO

3
Směs 95 % bezvodého bioetanolu a 5 % a přísady AVOCET (ICI)
EOH


Pro motor ZETOR 7701 provozovaný na motorovou naftu a na alternativní motorová paliva můžeme konstatovat tyto závěry:
hodnoty měrných emisí NOx při provozu na motorovou naftu (NM) a na metylester (meřo) jsou přibližně stejné, při provozu na BIOETANOL byly emise výrazně nižší,
měrné emise CO jsou při provozu na motorovou naftu (NM) a metylester (meřo) opět téměř stejné, BIOETANOL je má poloviční,
měrné emise CH jsou u alternativních paliv o něco vyšší než u motorové nafty (NM), nejvyšší jsou u BIOETANOL (zvýšení proti motorové naftě o 57 %),
kouřivost motoru provozovaného na motorovou naftu (NM) je nejvyšší, snížení asi o 25 % je patrné u metylesteru (meřo), kouřivost BIOETANOLU je minimální.


Obr. 1: Hodnoty kouřivosti pro motorovou naftu a alternativní paliva


Obr. 2: Porovnání emisí motorové nafty a alternativních paliv

Zdroj včetně obrazové přílohy