Paliwa silnikowe w aspekcie ochrony środowiska

Paliwa silnikowe w aspekcie ochrony środowiska
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Silniki spalinowe zmieniły historię cywilizacji w sposób rewolucyjny. Ich zastosowanie pozwoliło nie tylko na radykalne zwiększenie możliwości wykonawczych ludzi, ale także - dzięki motoryzacji - przyczyniło się do spełnienia jednego z marzeń ludzkości - wolności przemieszczania się.

Tak masowe zastosowanie silników spalinowych spowodowało niespotykaną wcześniej w historii ludzkości masowość wytwarzania nośników energii - paliw silnikowych. Od początku eksploatacji paliw silnikowych podstawowym problemem była możliwość zapewnienia silnikom prawidłowego działania. Z tego powodu stosowano niekiedy do komponowania paliw składniki bardzo szkodliwe dla zdrowia, np. dodawanie do benzyny dużej ilości benzenu w celu poprawy odporności paliwa na spalanie stukowe, dzięki czemu było możliwe znacznie większe wysilenie silników o zapłonie iskrowym. Wzrastająca wśród ludności świadomość zagrożeń środowiska przez cywilizację spowodowała, że od początków lat 90. XX w. jednym z najważniejszych kryteriów oceny jakości paliw silnikowych stały się względy ekologiczne.

Klasyfikacja paliw silnikowych
Paliwa to nośniki energii, umożliwiające pozyskanie energii w wyniku spalania. Spalanie jest to reakcja utleniania egzoenergetyczna, w której wyniku szybkość wywiązywania ciepła powoduje promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości w zakresie promieniowania widzialnego, o natężeniu uznanym za umowną granice świecenia. Paliwo jest zatem reduktorem w reakcji spalania z tlenem.
Paliwa silnikowe można podzielić na:
• konwencjonalne,
• niekonwencjonalne.
Za paliwa silnikowe konwencjonalne uznaje się te, do których standardowo są przystosowane silniki spalinowe. Są to zatem paliwa węglowodorowe pochodzące z przeróbki ropy naftowej: benzyny silnikowe i oleje napędowe. Paliwami niekonwencjonalnymi są inne paliwa stosowane do zasilania silników spalinowych, zarówno węglowodorowe, jak i inne, pochodzące z przeróbki ropy naftowej i innych zasobów mineralnych, również pochodzące z przeróbki surowców biologicznych oraz tzw. paliwa syntetyczne i inne.
Ważną kategorię stanowią paliwa silnikowe zastępcze [5]. Są to paliwa niekonwencjonalne, stanowiące paliwa zastępcze benzyny silnikowej do silników o zapłonie iskrowym lub oleju napędowego do silników o zapłonie samoczynnym. Paliwa zastępcze są zatem zamiennikami benzyny silnikowej lub oleju napędowego.
Na rysunku 1. przedstawiono klasyfikację paliw ze względu m.in. na stan skupienia.

Ze względu na ochronę środowiska paliwom stawia się następujące wymagania:
• zapewnienie silnikom jak największej sprawności ogólnej w celu ochrony zasobów naturalnych i ograniczenia globalnej emisji zanieczyszczeń spowodowanej spalaniem paliw; oznacza to stosowanie paliw o jak największej wartości opałowej;
• stosowanie paliw umożliwiających zmniejszenie emisji substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska, oznacza to także minimalizację udziału w paliwach zanieczyszczeń i dodatków, sprzyjających emisji substancji szkodliwych dla środowiska, jest to również postulat odnawialności paliw, umożliwiającej cyrkulację węgla w niewielkiej skali czasu;
• wymagania bezpieczeństwa użytkowania środków transportu i silników; w tym zakresie postuluje się również biodegradowalność paliw;
• zapewnienie silnikom dostatecznej trwałości - ograniczenie powstawania produktów zużycia oraz produktów odpadowych obsługi środków transportu;
• wytwarzanie i dystrybucja paliw zapewniające jak najmniejszą degradację środowiska.

Podstawowe problemy eksploatacyjne stosowania paliw silnikowych to:
• ograniczenie emisji substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska, m.in. przez:
– ograniczenie zawartości węglowodorów aromatycznych,
– odpowiednie komponowanie paliw;
• ograniczenie zanieczyszczeń i dodatków, sprzyjających emisji substancji szkodliwych dla środowiska, m.in.: związków ołowiu (benzyny) i siarki (oleje napędowe i benzyny);
• spełnieniem przez paliwa innych funkcji niezbędnych w eksploatacji silników przez zapewnienie odpowiednich właściwości fizyko-chemicznych, m.in. przeciwkorozyjnych, myjących, oddziałujących na przebieg procesów spalania itp.
Konwencjonalnymi paliwami do zasilania silników o zapłonie iskrowym są benzyny silnikowe, a do silników o zapłonie samoczynnym - oleje napędowe.
Benzyna silnikowa to mieszanina węglowodorów i innych związków organicznych o temperaturze wrzenia (40 ÷ 200)ºC.
Najważniejsze tendencje w rozwoju benzyn silnikowych są następujące [5]:
• ograniczanie zawartości ołowiu do:
– 0,013 g/dm3 w dystrybucji,
– 0,005 g/dm3 u producenta;
• ograniczenie zawartości siarki - ze względu na trwałość i skuteczność reaktorów katalitycznych;
• ograniczanie zawartości węglowodorów aromatycznych do 30%, w tym benzenu do 1%;
• zwiększanie zawartości izoalkanów, stanowiących podstawowy składnik benzyn reformowanych;
• stosowanie dodatków zawierających tlen:
– alkoholi: metylowego i etylowego
– eterów: eteru metylo-tert-butylowy - MTBE (ang. Methyl Tert-Butyl Ether) i eteru etylo-tert-butylowy - ETBE (ang. Ethyl Tert-Butyl Ether).
Olej napędowy to mieszanina węglowodorów (od C11H24 do C18H28) i innych związków organicznych o temperaturze wrzenia (150 ÷ 350)ºC.
Podstawowymi tendencjami w komponowaniu olejów napędowych są [5]:
• ograniczenie zawartości siarki poniżej 50 ppm (w oleju City Diesel 10 ppm = 0,001%);
• zmniejszenie gęstości i lepkości;
• zwiększanie liczby cetanowej;
• zmniejszenie zawartości węglowodorów aromatycznych;
• obniżenie temperatury końca destylacji;
• stosowanie dodatków zawierających tlen:
– alkoholi: metylowego i etylowego,
– eterów: eteru metylo-tert-butylowego i eteru etylo-tert-butylowego,
– estrów wyższych kwasów karboksylowych (tłuszczowych) - FAE (ang. Fatty Acid Esters): metylowych - FAME (ang. Fatty Acid Methyl Esters) i etylowych - FAEE (ang. Fatty Acid Ethyl Esters).
Podstawowymi gazowymi paliwami węglowodorowymi są:
• mieszanina skroplonych gazów ropopochodnych (głównie propan i butan) - LPG (ang. Liquefied Petroleum Gas) - przechowywany w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem (0,3  0,5) MPa,
• skroplony gaz ziemny (głównie metan) - LNG (ang. Liquefied Natural Gas) - przechowywany w temperaturze - 162ºC i pod ciśnieniem atmosferycznym,
• sprężony gaz ziemny (głównie metan) - CNG (ang. Compressed Natural Gas) - przechowywany w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem (16  25) MPa,
• paliwo biogazowe, tzw. biometan [3].
Jako niewęglowodorowe paliwa niekonwencjonalne rozpatruje się przede wszystkim:
• wodór - H2;
• alkohole:
– metanol - CH3OH,
– etanol - CH3CH2OH,
– wyższe alkohole, np. butanole - C4H9OH: n-butanol, sec-butanol, izobutanol, tert-butanol.
Należy zwrócić uwagę, że paliwa niekonwencjonalne mogą mieć znacznie różniące się właściwości od paliw konwencjonalnych, np. z powodu różnic składu elementarnego. Klasycznym przykładem jest mniejsza wartość opałowa etanolu - rysunek 2: względna różnica wartości opałowej etanolu w stosunku do wartości opałowej benzyny i oleju napędowego wynosi około 38%.



Na bazie etanolu szwedzki koncern SEKAB (Svensk Etanolkemi AB) opracował specyfikacje paliw [4, 6-10]:
• E85 (inaczej Etamax B) do specjalnych silników o zapłonie iskrowym, tzw. silników flexi-fuel przystosowanych do pracy na paliwie E85, na benzynie oraz mieszaninie benzyny i paliwa E85,
• E95 (inaczej ED95, Etamax D) do specjalnych silników o zapłonie samoczynnym.
Specyfikacja paliwa E85 jest następująca:
• 95-procentowy etanol - 86% m/m,
• benzyna - 11,6% m/m,
• eter MTBE - 2,0% m/m,
• izobutanol - 0,4 % m/m.
Paliwo E95 ma skład:
• 95-procentowy etanol - 92,2% m/m,
• aktywator zapłonu - 5% m/m,
• eter MTBE - 2,3% m/m,
• izobutanol - 0,5% m/m,
• inhibitor korozji - 90 ppm m/m.
Przykładem silnika zasilanego paliwem E85 jest silnik MY06 do samochodu Saab 9-5 2.0t BioPower. Jest to rzędowy czterocylindrowy turbodoładowany silnik o objętości skokowej 2 dm3 i o zmiennym stopniu sprężania. Na rysunku 3. przedstawiono charakterystykę zewnętrzną silnika MY06 zasilanego: benzyną i paliwem E85 [6].



Jest wyraźnie widoczne, że dzięki możliwości większego wysilenia silnika - w związku głównie z większą odpornością na spalanie stukowe paliwa etanolowego w stosunku do benzyny - jest możliwe znaczne zwiększenie maksymalnej mocy użytecznej silnika pracującego na paliwie etanolowym. Dzieje się to oczywiście kosztem znacznego zwiększenia zużycia paliwa.
Silnik zasilany paliwem E85 ma bardzo dobre właściwości ekologiczne ze względu na emisję zanieczyszczeń. Na rysunku 4, przedstawiono względne zmniejszenie emisji zanieczyszczeń przy zasilaniu silnika E85 w stosunku do benzyny. Na wykresie przedstawiono względne zmniejszenie emisji: tlenku węgla - CO, węglowodorów - HC, tlenków azotu - NOx, dwutlenku węgla - CO2 i dwutlenku węgla kopalnego - CO2f, jako że paliwo E85 ma dominującą zawartość składników będących odnawialnymi nośnikami energii.


Obecnie jako powszechne zastosowanie paliw niekonwencjonalnych przyjmuje się:
• dodatek etanolu w ilości do 5% V/V do benzyny,
• dodatek estrów metylowych olejów roślinnych w ilości do 7% V/V do oleju napędowego,
• paliwo B100 - estry metylowe olejów roślinnych,
• paliwo B20 - o zawartości 20% estrów metylowych olejów roślinnych w mieszaninie z olejem napędowym,
• skroplony gaz ropopochodny,
• gaz ziemny i paliwo biogazowe.
Za perspektywiczny nośnik energii uważa się wodór zarówno jako nośnik energii do ogniw paliwowych, jak i paliwo do silników spalinowych. Zasoby wodoru we Wszechświecie są gigantyczne: masa wodoru zawartego we Wszechświecie to ponad 75% masy Wszechświata! Również na Ziemi zasoby wodoru są ogromne. Najważniejszymi problemami zastosowania wodoru jako nośnika energii jest:
• otrzymywanie wodoru na skalę przemysłową,
• przechowywanie wodoru w pojeździe.
W celu otrzymania wodoru jest konieczne wykorzystanie innych nośników energii: przykładowo otrzymywanie wodoru z elektrolizy wody z zastosowaniem energii elektrycznej wytwarzanej z użyciem spalania węgla kamiennego trudno ocenić jako rozwiązanie proekologiczne.
Największe problemy sprawia przechowywania wodoru w pojeździe. Możliwe są następujące rozwiązania:
• w stanie gazowym sprężony wodór pod ciśnieniem 55 MPa i w temperaturze otoczenia,
• w stanie skroplonym pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego w temperaturze -253C,
• w postaci związków chemicznych z metalami (wodorków),
• W postaci związanej z innymi materiałami, np. polimerami.
Wszystkie te rozwiązania stanowią poważne wyzwania techniczne. Ponadto gęstość energetyczna przechowywanego w taki sposób wodoru w stosunku zarówno do objętości, jak i masy zbiornika, nie jest w żadnym wypadku konkurencyjna w stosunku do tego wskaźnika dla klasycznych paliw ciekłych.
Ważnym kryterium klasyfikacji paliw ze względu na emisje dwutlenku węgla kopalnego jest podział na:
• paliwa nieodnawialne (kopalne).
• paliwa odnawialne,
Podstawowymi surowcami do wytwarzania paliw odnawialnych są [2-10]:
• paliwa biologiczne (głównie roślinne):
– alkohole (metanol, etanol, propanole, butanole i inne),
– wyższe kwasy karboksylowe (oleje roślinne) i ich pochodne (przede wszystkim estry) - estry metylowe olejów: rzepakowego (RME, RŐME), sojowego (SME), słonecznikowego (SME), palmowego (PME, PŐME), kokosowego (CME),
• biogaz - pochodzący z procesów beztlenowego rozkładu związków organicznych.
Ekologicznymi skutkami zastosowania estrów olejów roślinnych (jako paliw samoistnych oraz dodatków do paliw konwencjonalnych) są [2]:
• nieznaczne zmniejszenie emisji tlenku węgla i węglowodorów,
• zwiększenie emisji tlenków azotu,
• zmniejszenie emisji cząstek stałych,
• zwiększenie emisji aldehydów,
• zmniejszenie emisji związków siarki,
• ograniczenie emisji dwutlenku węgla kopalnego w zamkniętym cyklu powstawania i eksploatacji paliw,
• dobra biodegradowalność paliwa.
Ekologiczne skutki zastosowania bioetanolu (jako paliw samoistnych oraz dodatków do paliw konwencjonalnych) to [4, 6-10]:
• znaczne zmniejszenie emisji tlenku węgla i węglowodorów,
• zmniejszenie emisji tlenków azotu,
• znaczne zmniejszenie emisji cząstek stałych,
• zwiększenie emisji aldehydów,
• zmniejszenie emisji związków siarki,
• ograniczenie emisji dwutlenku węgla kopalnego w zamkniętym cyklu powstawania i eksploatacji paliw,
• dobra biodegradowalność paliwa.

Podsumowanie
Spośród wszystkich kryteriów ekologicznej oceny paliw silnikowych na pierwsze miejsca wysuwają się dwa.
Pierwszy postulat to zmniejszenie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia: tlenku węgla, związków organicznych, w tym ciężkich związków organicznych (m.in. wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych), tlenków azotu i cząstek stałych. Wśród tych substancji szczególną wagę przywiązuje się do prekursorów ozonu troposferycznego, sprzyjających powstawaniu zjawiska smogu fotochemicznego. Przywiązuje się również dużą wagę do emisji cząstek stałych, wiadomo bowiem, że jednym z głównych powodów przekroczeń stężeń zanieczyszczeń powietrza, szczególnie w centrach wielkich aglomeracji miejskich, są poszczególne frakcje wymiarowe pyłów.
Drugim postulatem, związanym z ekologiczną oceną paliw silnikowych, jest odnawialność paliw. Istnieją dwa podstawowe aspekty tego postulatu. Pierwszy aspekt jest związany z ochroną zasobów naturalnych w związku z oszczędnym gospodarowaniem kopalnymi nośnikami energii. Drugi aspekt jest związany z tym, że podstawowym składnikiem paliw kopalnych jest węgiel, zatem użytkowanie tych nośników powoduje zwiększanie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, co uważa się za czynnik sprzyjający intensyfikacji zjawiska cieplarnianego.
Przy ekologicznej ocenie paliw silnikowych należy pamiętać o tym, że ocena powinna być dokonywana w sposób kompleksowy z uwzględnieniem etapów wydobycia surowców, wytwarzania i dystrybucji paliw oraz ich użytkowania do zasilania silników spalinowych - jest to tzw. analiza Well-to-Wheel (ang. - od źródła nośników energii do kół pojazdu), składającą się z etapów: Well-to-Tank (ang. - od źródła nośników energii do zbiornika paliwa) i Tank-to-Wheel (ang. - od zbiornika paliwa do kół pojazdu) [1, 7]. Jeszcze bardziej ogólną metodę stanowi ocena cyklu istnienia (ang. Life Cycle Assessment) [1]. Warto w związku z tym zwrócić uwagę, że w zależności od używanych surowców i zastosowanej technologii różnice w ekologicznych skutkach eksploatacji silników spalinowych zasilanych tymi samymi rodzajami paliw mogą być znaczne [1].

Piśmiennictwo:
1. Chłopek Z, Lasocki J.: Comprehensive environmental impact assessment of the process of preparation of bioethanol fuels of the first and second generation. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2013; 15 (1). 44-50.
2. Chłopek Z., Bardziński W., Jarczewski M., Sar H.: Emisja zanieczyszczeń z silnika zasilanego paliwem z dodatkiem estru metylowego oleju rzepakowego w testach dynamicznych. Journal of KONES 2005.
3. Chłopek Z.: Ecological aspects of using bioethanol fuel to power combustion engines. Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability Nr 3 (35)/2007. 65-69.
4. Chłopek Z.: Ekologiczne aspekty motoryzacji i bezpieczeństwo ruchu drogowego. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2012.
5. Chłopek Z.: Ocena emisji zanieczyszczeń z silników o zapłonie iskrowym zasilanych paliwami: benzyną reformowaną i paliwem bioetanolowym E85. Transport Samochodowy 2/2009. 61-78.
6. Chłopek Z., Gis W., Waśkiewicz J.: The study of the use biomethane to the supply city buses in Poland. Wydawnictwo ITS. Warszawa 2013.
7. Chłopek Z.: The estimation of the pollutant emission from internal combustion engines supplied with bioethanol fuels. Silniki Spalinowe - Combustion Engines Nr 2/2008 (133). 39-44.
8. Chłopek Z.: The evaluation of the ecological consequences of the application of bioethanol in municipal public transportation. Silniki Spalinowe - Combustion Engines 4/2008 (135). 29-38.
9. Environment Canada: Mobile Source Emissions & Biofuels: An Overview of Selected Canadian Federal R&D. Ottawa 2007- 03-27.
10. Marecka-Chłopek E., Chłopek Z.: Eksploatacyjne aspekty zastosowania paliw pochodzenia biologicznego do zasilania silników spalinowych. Transport Samochodowy 4/2007. 59-76.

Zdzisław Chłopek
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Paliwa silnikowe w aspekcie ochrony środowiska

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!