Ewa Rostek
Instytut Transportu Samochodowego, Centrum Bada Materiaowych i Mechatroniki
Maciej Babiak
Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
KRYTERIA JAKOCIOWE DLA E10 I B5
W OPARCIU O WIATOW KART PALIW
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: Artyku zawiera kryteria jakociowe jakie spenia musz komponenty biopaliwowe
su ce do sporzdzania mieszanek etanolowych (E10) do silników o zaponie iskrowym oraz mieszanek paliwowych B5 stosowanych do zasilania silników o zaponie samoczynnym. Kryteria jakociowe opieraj si na wytycznych wiatowej Karty Paliw (WWFC) wydanie 4. W pracy przedstawiono tak e podzia biopaliw ze wzgldu na stopie skomercjalizowania technologii wytwarzania. Biopaliwa podzielono na obecnie stosowane biopaliwa "konwencjonalne" i przeszociowe biopaliwa "zaawansowane".
Sowa kluczowe: biopaliwa konwencjonalne, biopaliwa zaawansowane, wiatowa Karta Paliw
1. WPROWADZENIE
Biopaliwa zaczy by produkowane pod koniec XIX wieku, kiedy to zaczto wytwarza etanol z kukurydzy, a Rudolf Diesel uruchomi pierwszy silnik na olej arachidowy. Do 1940 roku biopaliwa postrzegane byy jako opacalne paliwa transportowe, ale spadajce ceny paliw kopalnych powstrzymay ich dalszy rozwój. Zainteresowanie komercyjn produkcj biopaliw do celów transportowych wzroso ponownie w poowie lat 70-tych i byo to zwizane z wytwarzaniem etanolu z trzciny cukrowej w Brazylii oraz z kukurydzy w Stanach Zjednoczonych. Polityka wsparcia dla biopaliw opiera si gownie na kwestiach bezpieczestwa energetycznego, w poczeniu z d eniem do utrzymania sektora rolnego i rewitalizacji gospodarki wiejskiej. W ostatnich latach nacisk na redukcj emisji dwutlenku wgla pochodzcego z sektora transportu sta si wa nym czynnikiem rozwoju biopaliw, szczególnie w krajach nale cych do Organizacji Wspópracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD). Jednym z najbardziej
powszechnych rodków wsparcia jest tzw. mandat mieszania, okrelajcy odsetek biopaliw, które musz by stosowane w transporcie drogowym.
Biopaliwa dzieli si na biopaliwa pierwszej, drugiej i trzeciej generacji, ale samo paliwo mo e by klasyfikowane w ró ny sposób w zale noci od zaawansowania technologii otrzymywania, bilansu emisji gazów cieplarnianych czy rodzaju surowca u ywanego do jego produkcji. W niniejszym artykule klasyfikacji biopaliw dokonano na podstawie kryterium zaawansowania technologii i wprowadzono podzia na konwencjonalne i zaawansowane biopaliwa. Bilans emisji gazów cieplarnianych zale y zarówno od surowca, jak i od procesu wytwarzania, dlatego wa ne jest, aby istniaa wiadomo, e otrzymywanie zaawansowanych biopaliw nie zawsze jest korzystniejsze od otrzymywania konwencjonalnych biopaliw.
Pod pojciem konwencjonalne technologie biopaliwowe rozumie si obecnie procesy produkcji biopaliw stosowane na skal przemysow. Biopaliwa otrzymywane t droga s powszechnie okrelane jako biopaliwa pierwszej generacji, a przykadem mog by takie biopaliwa jak etanol z cukru i skrobi, oparty na uprawach rolin olejowych i oleju rolinnym biodiesel, a tak e biogaz pochodzcy z fermentacji beztlenowej. Typowe surowce stosowane w tych procesach to trzcina i burak cukrowy, zawierajce skrobi kukurydza i zbo a np. pszenica, roliny oleiste takie jak rzepak (olej rzepakowy) czy soja, a w niektórych przypadkach tak e tuszcze zwierzce i zu yty olej spo ywczy.
Zaawansowane technologie biopaliwowe to technologie otrzymywania biopaliw, które s obecnie jeszcze w fazie bada i rozwoju, technologie pilota owe lub demonstracyjne. Otrzymywane ta drog biopaliwa okrela si powszechnie jako biopaliwa drugiej lub trzeciej generacji. Do zawansowanych biopaliw zalicza si np. hydrorafinowany olej rolinny (HVO) oparty na tuszczu zwierzcym i oleju rolinnym, a tak e biopaliwa otrzymywane z biomasy lignocelulozowej, np. celulozowy etanol, biopaliwa z procesów BtL oraz biogaz syntetyczny (bio-SG). Nowe technologie bdce obecnie w fazie bada i rozwoju to np. produkcja biopaliwa na bazie alg oraz zamiana cukrów na biopaliwa typu diesel z wykorzystaniem biologicznych lub chemicznych katalizatorów. W tablicy 1 przedstawiono aktualnie stosowane technologie produkcji biopaliw ciekych i gazowych.
Tablica 1 Stopie komercjalizacji poszczególnych technologii otrzymywania biopaliw silnikowych
Biopaliwa zaawansowane Biopaliwa konwencjonalne
technologie na etapie B+R technologie demonstracyjne technologie na etapie komercjalizacji technologie skomercjalizowane
Bioetanol Etanol z celulozy Etanol z cukru i rolin
zawierajcych skrobi Biopaliwa typu diesel Biodiesel z alg; wglowodory na bazie cukrów BtL diesel (gazyfikacja + proces FT) Hydrorafinowane oleje rolinne Biodiesel z transestryfikacji Inne paliwa i dodatki Paliwa nowatorskie (np. furanowe) Biobutanol, DME,
paliwa z pirolizy Metanol
Biometan Biogaz syntetyczny Biogaz z fermentacji
beztlenowej wodór Wszystkie inne
nowe paliwa
Gazyfikacja + reforming
Biogaz z reformingu
biopaliwa cieke biopaliwa
2. WYMAGANIA WIATOWEJ KARTY PALIW DLA
ETANOLU I BIODIESLA
Tak jak w przypadku benzyny i oleju napdowego, jako biopaliw musi odpowiada potrzebom i mo liwociom technologii silników spalinowych i pojazdów. Celem wiatowej Karty Paliw (WWFC) jest promowanie w skali globalnej jakoci paliw, która zapewnia optymaln praca silnika, która charakteryzowaa by si wy szymi wartociami wska ników pracy, zmniejszeniem zu ycia paliwa, wiksz trwaoci oraz mo liwie najmniejsz emisj toksycznych skadników spalin. Zarówno etanol jak i biodiesel, jako paliwa odnawialne, mog w znaczny sposób przyczyni si do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Kluczem do osignicia niskiej emisji jest zrównowa ona produkcja dobrej jakoci biopaliw oraz prawidowa dystrybucja gotowych paliw, tak aby zachoway dobr jako w caym acuchu dostaw.
Etanol stosowany jest dzi zarówno jako bezporedni dodatek do paliw, oraz jako surowiec do wytwarzania dodatków do benzyn. Inne obiecujce odnawialne mieszaniny paliwowe do benzyn to m.in. bio-etery (np. eter etylowo-tert-butylowy (ETBE) i eter tert amylo-etylowy (TAEE)), bd bio-alkohole takie jak np. biobutanol. Biorc pod uwag znaczne ró nice w otrzymywaniu samych komponentów do sporzdzania mieszanek paliwowych wiatowa Karta Paliw skupia si na opracowaniu kryteriów jakociowych dla skadników mieszanek a nie na gotowych biopaliwach. Wytyczne dotycz gównie komponentów pozwalajcych na skomponowanie biodiesla z 5 % zawartoci biododatków oraz benzyny z 10 % zawartoci etanolu. Powstae biopaliwa powinny tak e spenia zalecenia zawarte w WWFC dla ró nych kategorii paliw rynkowych.
wiatowa Karta Paliw zawiera kryteria jakociowe jakie spenia musi bezwodny 100 % etanol (E100) przeznaczonych do mieszania, z pochodzca z ropy naftowej benzyn, w celu skomponowania mieszanki zawierajcej maksymalnie 10 % etanolu (E10). Takie paliwo nadaje si do u ytku w pojazdach wyposa onych w silniki o zaponie iskrowym. Mieszanki o wikszej zawartoci etanolu ni dla E10 mog by stosowane tylko w pojazdach, których silniki s specjalnie przystosowane do spalania tego rodzaju paliw. Utrzymanie dobrej jakoci paliwa wymaga dobrych praktyk podczas caego procesu produkcji, blendowania, ale tak e podczas dystrybucji i przechowywania. Z uwagi na korozyjne oddziaywanie wody na elementy silnika, etanol i mieszanki etanolowe nie mog by ni zanieczyszczone. W tablicy 2 umieszczono wymogi WWFC stawiane paliwom bioetanolowym.
Tablica 2 Wymagania dla E100 wykorzystywanego do komponowania mieszanek paliwowych
zawierajcych 10 % etanolu (E10)
Waciwo Warto Jednostka Metoda badawcza
Zawarto bezwodnego etanolu oraz alkoholi wy szych
min 99.2 % m/m PN-EN 15721 ASTM D5501 Zawarto alkoholi wy szych
C3-C5
max 2 % m/m PN-EN 15721
Zawarto metanolu max 0.5 % m/m PN-EN 15721, ASTM D5501
Zawarto wody max 0.3 % m/m PN-EN 15489, ASTM E203
Gsto okrela producent kg/m3 ASTM D4052
Przewodnictwo waciwe max 500 μS/m ASTM D1125 Zawarto nieorganicznych
chlorków
max 10.0 mg/l PN-EN 15484 or PN-EN 15492, ASTM D7319, D7328 Zawarto siarczanów max 4 mg/kg PN-EN 15492, ASTM D7318,
D7319, D7328
Zawarto miedzi max 0.100 ppm PN-EN 15488, ASTM D1688 metoda A Zawarto zanieczyszcze organicznych max 10 max 1 mg/l % m/m JIS JAAS001-6.4
Zawarto fosforu max 0.50 mg/l PN-EN 15487, ASTM D3231
Zawarto siarki max 10 mg/kg lub
ppm
PN-EN 15486, ASTM D5453(<20 ppm) Zawarto metali ci kich nie wykrywalna, nie dopuszcza si
celowego dodania
ICP-AES, ogólne wskazówki dotyczce wykonywania analiz ICP ladowej zawartoci pierwiastków znale mo na w ASTM D7260 Zawarto materiaów
nielotnych (sucha pozostao)
max 5 mg/100 ml PN-EN 15691, ASTM D381
pHe 6.5 - 9 --- ASTM D6423
"pHe-like" 6 - 81 --- PN-EN 15490
Zawarto kwasów (w przeliczeniu na kwas octowy)
0.007 max % m/m PN-EN 1541, ASTM D1613 Wygld ciecz jasna, przejrzysta, bez
widocznych zanieczyszcze i osadów
metoda wzrokowa
Kolor wymagania lokalne metoda wzrokowa
1
W ASTM D6423 zdefiniowano empirycznie pojcie pHe. W metodach podajcych "pHe-like" warto pH nie jest zdefiniowana dla rozpuszczalników niewodnych. Wszelkie pomiary pH w rozpuszczalnikach niewodnych s zdefiniowane przez urzdzenia pomiarowe i zmodyfikowane odpowiednimi procedurami pomiarowymi. Dlatego te dla tej samej próbki wartoci te mog si ró ni.
Dopuszczaln zawarto denaturatu w paliwie etanolowym okrelaj rozporzdzenia krajowe. Dopuszczalne biododatki do paliw do silników o zaponie iskrowym to, zgodnie z PN-EN 228 lub ASTM D4814, eter etylowo-tert-butylowy (ETBE), eter tert-butylo-metylowy (MTBE), alkohol tert-butylowy (TBA), izobutanol (2-metylo 1-propanol) i izopropanol (2-propanol). Wszystkie ww. substancje mog by dodawane samodzielnie bd te razem – wyjtek stanowi izobutanol i izopropanol, w przypadku których nie zaleca si stosowania samodzielnego, z uwagi na tworzenie z benzyn niejednorodnej, zawiesistej mieszaniny.
Obecnie produkowany biodiesel otrzymywany jest gównie na drodze estryfikacji, ale przyszociowe technologie wytwarzania skupiaj si na syntezie Fischera-Tropscha, pirolizie i procesach BtL (Biomas-to-Liquid). wiatowa Karta Paliw dla biodiesla zawiera kryteria jakociowe jakie spenia musi 100 % biodiesel (B100) przeznaczonych do mieszania, z wytwarzanym z ropy naftowej olejem napdowym, tak aby skomponowana mieszanka zawieraa maksymalnie 5 % biodiesla (B5). Takie paliwo nadaje si o u ytku w pojazdach wyposa onych w silniki o zaponie samoczynnym. Biorc pod uwag naturalne waciwoci tego rodzaju paliwa nale y zwróci szczególn uwag na proces utleniania zachodzcy ju podczas wytwarzania. Niewaciwe warunki przechowywania - wysoka temperatura, nara enie na dziaanie wody i ekspozycja na wiato znaczco przyspieszaj utlenianie ww. paliwa. Aby temu zapobiec, ju na etapie wytwarzania dodawane s antyutleniacze, które maj za zadanie spowolni proces degradacji i poprawi stabilno oksydacyjn biodiesla. Jednak nadu ywanie antyutleniaczy mo e doprowadzi do tworzenia dodatkowego osadu – dlatego wa ne jest waciwe dobranie dodatku antyoksydacyjnego – zarówno pod wzgldem rodzaju, jak i iloci. W tablicy 3 przedstawiono wytyczne WWFC odnoszce si do mieszanek paliwowych do silników o zaponie samoczynnym.
Tablica 3 Wymagania dla B100 wykorzystywanego do komponowania mieszanek paliwowych
zawierajcych 5 % biodiesla
Waciwo Warto Jednostka Metoda badawcza
Zawarto estrów min 96.5 % m/m PN-EN 14103
Zawarto estru metylowego kwasu
linolenowego max 12.0 % m/m PN-EN 14103
Zawarto estrów metylowych wielonasyconych kwasów tuszczowych (Ï 4 wizania
podwójne)
max 1 % m/m PN-EN 15779
Stabilno oksydacyjna metod
przyspieszonego utleniania min 10 hr PN-EN 15751 lub PN-EN 14112 Liczba jodowa max 1301 g I
2/100 g PN-EN 14111
Tablica 3 cd. Wymagania dla B100 wykorzystywanego do komponowania mieszanek paliwowych
zawierajcych 5 % biodiesla
Waciwo Warto Jednostka Metoda badawcza
Zawarto metanolu max 0.20 % m/m PN-EN 14110
Glicerydy
Mono-glicerydy max 0.80 % m/m PN-EN 14105, ASTM D6584 Di-glicerydy max 0.20 % m/m PN-EN 14105, ASTM D6584 Tri-glicerydy max 0.20 % m/m PN-EN 14105, ASTM D6584
Gliceryna
Wolny glicerol max 0.02 % m/m PN-EN 14105/14106, ASTM D6584 Ogólny glivcerol max 0.25 % m/m PN-EN 14105, ASTM D6584
Gsto okrela
producent g/ml
PN-EN ISO 3675, ASTM D4052, PN-EN ISO 12185 Lepko kinematyczna w 40ºC 2.0 – 5.02 mm2/s PN-EN ISO 3104, ASTM D445
Temperatura zaponu min 100 ºC PN-EN ISO 3679, ASTM D93 Liczba cetanowa min 51 --- PN-EN ISO 5165, ASTM D613
Zawarto wody max 500 ppm PN-EN ISO 12937
Zawarto wody i osadów max 0.05 % v/v ASTM D2709
Zawarto zanieczyszcze max 24 mg/kg PN-EN 12662, ASTM D2276, D5452, D6217
Zawarto popiou max 0.001 % m/m PN-EN ISO 6245, ASTM D482 Zawarto popiou siarczanowego max 0.005 % m/m PN ISO 3987, ASTM D874
Pozostao po koksowaniu max 0.05 % m/m ASTM D4530 Korozja na elazie max lekka
korozja stopie ASTM D665 procedura A Zawarto siarki max 10 ppm PN-EN ISO 20846/20884, ASTM D5453/D2622 Zawarto fosforu max 4 mg/kg PN-EN 14107, ASTM D4951, D3231 Zawarto Na + K max 5 mg/kg PN-EN 14108/14109, PN-EN 14538
Zawarto Ca + Mg max 5 mg/kg PN-EN 14538
Zawarto metali kolorowych bez dodatku --- ASTM D7111
1 To ograniczenie mo e niepotrzebnie wyklucza pewne surowce. Niektóre rozwizania konstrukcyjne silnika
mog wymaga bardziej rygorystycznych kryteriów dla tego parametru.
2 Aby unikn potencjalnie niebezpiecznych obci e napdu pompy wtryskowej dla temperatury ni szej
3. PODSUMOWANIE
Zapotrzebowanie na pynne noniki energii wykorzystywane w transporcie spowodowao poszukiwania nowych materiaów i technologii obróbki. Obecnie wytwarzane, na skal przemysow, biopaliwa to tzw. biopaliwa I-szej generacji, a wic biopaliwa pochodz z przeróbki substancji organicznej, któr mo na wykorzysta tak e do produkcji po ywienia lub pasz. Biopaliwa pierwszej generacji produkowane s przy zastosowaniu konwencjonalnych metod, takich jak fermentacja czy estryfikacja, nie wymagajcych du ych nakadów energetycznych. Wykorzystywanie surowców, takich jak trzcina cukrowa, kukurydza, pszenica czy buraki cukrowe, z których mo na wyprodukowa pokarm dla ludzi i karm dla zwierzt powoduje, e ich produkcja konkuruje z produkcj ywnoci i nie zawsze starcza surowca na oba procesy.
Stosowanie nieodpowiednich jakociowo biopaliw w nowoczesnych silnikach spalinowych mo e powodowa pogorszenie parametrów eksploatacyjnych, dlatego wa ne jest wa ne jest, aby paliwa te speniay okrelone wymagania jakociowe. wiatowa Karta Paliw dla etanolu i biodiesla zawiera kryteria jakie powinny spenia paliwa zawierajce odpowiednie zawartoci biododatków. Zasada dziaania silników o zaponie iskrowym i zaponie samoczynnym jest znana i niezmienna. Prawidowa i niezawodna praca tych silników nie zale y jednak od pochodzenia wglowodorów z jakich otrzymywane jest paliwo, a jedynie od jego waciwoci, dlatego te paliwa z biododatkami stosowane s w przemyle motoryzacyjnym od dawna. Obiecujcym surowcem do uzyskania ciekych mieszanin wglowodorów syntetycznych jest np. biomasa (procesy BtL) lub substancje odpadowe (procesy WtL).
Z uwagi na ró norodno gatunków, technologii otrzymywania oraz pochodzenia surowców do wytwarzania biopaliw, Europejska Platforma Technologiczna Biopaliw promuje podzia biopaliw na otrzymywane obecnie biopaliwa konwencjonalne i przyszociowe biopaliwa zaawansowane. Podzia taki pozwoliby ograniczy ilo rodzajów gatunków biopaliw, a tym samym uatwi u ytkownikowi pojazdu wybór waciwego paliwa.
Bibliografia
1. Bacovsky, D., Dallos, M., Wörgetter, M.: Status of 2nd Generation Biofuels Demonstration Facilities in June 2010, Report to IEA Bioenergy Task 39, 2010.
2. Bauen, A., Berndes, G., Junginger, M., Londo, M., Vuille, F.: Bioenergy - a sustainable and reliable energy source. A review of status and prospects., IEA Bioenergy: ExCo:2009:06, 2009.
3. Biodiesel Guidelines from the Worldwide Fuel Charter Committee,
http://www.acea.be/images/uploads/files/20090423_B100_Guideline.pdf, 2009. 4. Ethanol Guidelines from the Worldwide Fuel Charter Committee,
http://www.acea.be/images/uploads/files/20090423_E100_Guideline.pdf, 2009.
5. From 1st- to 2nd-generation Biofuel Technologies: An Overview of Current Industry and RD&D activities, www.iea.org/textbase/papers/2008/2nd_Biofuel_Gen.pdf, OECD/IEA, 2008.
6. Technology Roadmap – Biofuels for Transport, http://www.iea.org/papers/2011/biofuels_roadmap.pdf, 2011.
THE QUALITATIVE CRITERIA FOR E10 AND B5 BASED ON WORLDWIDE FUEL CHARTER
Summary: The paper contain qualitative criteria which the biofuel components have to meet for ethanol
(E10) and biodiesel (B5) blends. The qualitative criteria are based on guidelines of fourth edition of Worldwide Fuel Charter (WWFC). In the paper the biofuels classification by the production technology commercialization rate is also presented. The biofuels were divided into two groups of conventional biofuels and future advanced biofuels.
