Kryteria jakościowe dla E10 i B5 w oparciu o światową kartę paliw

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 98
Transport
2013
Ewa Rostek
Instytut Transportu Samochodowego, Centrum Bada Materiaowych i Mechatroniki
Maciej Babiak
Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
KRYTERIA JAKO
CIOWE DLA E10 I B5
W OPARCIU O WIATOW KART PALIW
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: Artyku zawiera kryteria jakociowe jakie spenia musz komponenty biopaliwowe
suce 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 take 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
deniem do utrzymania sektora rolnego i rewitalizacji gospodarki wiejskiej. W ostatnich
latach nacisk na redukcj emisji dwutlenku wgla pochodzcego z sektora transportu sta
si wanym czynnikiem rozwoju biopaliw, szczególnie w krajach nalecych do
Organizacji Wspópracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD). Jednym z najbardziej
558
Ewa Rostek, Maciej Babiak
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
moe by klasyfikowane w róny sposób w zalenoci od zaawansowania technologii
otrzymywania, bilansu emisji gazów cieplarnianych czy rodzaju surowca uywanego 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 zaley zarówno od surowca,
jak i od procesu wytwarzania, dlatego wane 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 take biogaz pochodzcy z fermentacji beztlenowej. Typowe
surowce stosowane w tych procesach to trzcina i burak cukrowy, zawierajce skrobi
kukurydza i zboa np. pszenica, roliny oleiste takie jak rzepak (olej rzepakowy) czy soja,
a w niektórych przypadkach take tuszcze zwierzce i zuyty olej spoywczy.
Zaawansowane technologie biopaliwowe to technologie otrzymywania biopaliw, które
s obecnie jeszcze w fazie bada i rozwoju, technologie pilotaowe 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 take 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
technologie na etapie
B+R
Bioetanol
Biopaliwa typu
diesel
Inne paliwa i
dodatki
Biopaliwa konwencjonalne
technologie na etapie
komercjalizacji
technologie
skomercjalizowane
Etanol z cukru i rolin
zawierajcych skrobi
Hydrorafinowane
oleje rolinne
Biodiesel z
transestryfikacji
Etanol z celulozy
Biodiesel z alg;
BtL diesel
wglowodory na bazie (gazyfikacja + proces
cukrów
FT)
Paliwa nowatorskie (np.
Biobutanol, DME,
furanowe)
paliwa z pirolizy
Biometan
wodór
technologie
demonstracyjne
Biogaz syntetyczny
Wszystkie inne
nowe paliwa
Gazyfikacja +
reforming
Metanol
Biogaz z fermentacji
beztlenowej
Biogaz z
reformingu
biopaliwa cieke
biopaliwa
gazowe
Kryteria jakociowe dla E10 i B5 w oparciu o wiatow Kart Paliw
559
2. WYMAGANIA WIATOWEJ KARTY PALIW DLA
ETANOLU I BIODIESLA
Tak jak w przypadku benzyny i oleju napdowego, jako biopaliw musi odpowiada
potrzebom i moliwociom 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 wyszymi wartociami
wskaników pracy, zmniejszeniem zuycia paliwa, wiksz trwaoci oraz moliwie
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 zrównowaona 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 rónice 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 take
spenia zalecenia zawarte w WWFC dla rónych 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 uytku w pojazdach wyposaonych 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 take 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.
560
Ewa Rostek, Maciej Babiak
Tablica 2
Wymagania dla E100 wykorzystywanego do komponowania mieszanek paliwowych
zawierajcych 10 % etanolu (E10)
Waciwo
Zawarto bezwodnego
etanolu oraz alkoholi
wyszych
Zawarto alkoholi wyszych
C3-C5
Zawarto metanolu
Zawarto wody
Warto
Jednostka
min 99.2
% m/m
PN-EN 15721
ASTM D5501
Metoda badawcza
max 2
% m/m
PN-EN 15721
max 0.5
% m/m
PN-EN 15721, ASTM D5501
max 0.3
% m/m
PN-EN 15489, ASTM E203
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
max 4
mg/kg
PN-EN 15492, ASTM D7318,
D7319, D7328
max 0.100
ppm
PN-EN 15488, ASTM D1688
metoda A
max 10
max 1
mg/l
% m/m
Gsto
Zawarto siarczanów
Zawarto miedzi
Zawarto zanieczyszcze
organicznych
Zawarto fosforu
Zawarto siarki
Zawarto metali cikich
max 0.50
mg/l
max 10
mg/kg lub
ppm
nie wykrywalna, nie dopuszcza si
celowego dodania
Zawarto materiaów
nielotnych (sucha pozostao)
max 5
mg/100 ml
pHe
6.5 - 9
---
"pHe-like"
Zawarto kwasów (w
przeliczeniu na kwas octowy)
Wygld
Kolor
1
1
6-8
---
0.007 max
% m/m
JIS JAAS001-6.4
PN-EN 15487, ASTM D3231
PN-EN 15486,
ASTM D5453(<20 ppm)
ICP-AES, ogólne wskazówki
dotyczce wykonywania analiz ICP
ladowej zawartoci pierwiastków
znale mona w ASTM D7260
PN-EN 15691, ASTM D381
ASTM D6423
PN-EN 15490
PN-EN 1541, ASTM D1613
ciecz jasna, przejrzysta, bez
metoda wzrokowa
widocznych zanieczyszcze i osadów
wymagania lokalne
metoda wzrokowa
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
róni.
Kryteria jakociowe dla E10 i B5 w oparciu o wiatow Kart Paliw
561
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-butylometylowy (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 uytku w
pojazdach wyposaonych w silniki o zaponie samoczynnym. Biorc pod uwag naturalne
waciwoci tego rodzaju paliwa naley zwróci szczególn uwag na proces utleniania
zachodzcy ju podczas wytwarzania. Niewaciwe warunki przechowywania - wysoka
temperatura, naraenie 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 naduywanie antyutleniaczy moe doprowadzi do
tworzenia dodatkowego osadu – dlatego wane 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 I2/100 g
PN-EN 14111
Liczba kwasowa
max 0.5
mg KOH/g
PN-ISO 6618, ASTM D664, D974
562
Ewa Rostek, Maciej Babiak
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
2
To ograniczenie moe niepotrzebnie wyklucza pewne surowce. Niektóre rozwizania konstrukcyjne silnika
mog wymaga bardziej rygorystycznych kryteriów dla tego parametru.
Aby unikn potencjalnie niebezpiecznych obcie napdu pompy wtryskowej dla temperatury niszej
ni -20 ºC warto lepko kinematycznej powinna by równa lub mniejsza ni 48 mm2/s.
Kryteria jakociowe dla E10 i B5 w oparciu o wiatow Kart Paliw
563
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 mona wykorzysta take do
produkcji poywienia lub pasz. Biopaliwa pierwszej generacji produkowane s przy
zastosowaniu konwencjonalnych metod, takich jak fermentacja czy estryfikacja, nie
wymagajcych duych nakadów energetycznych. Wykorzystywanie surowców, takich jak
trzcina cukrowa, kukurydza, pszenica czy buraki cukrowe, z których mona
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 moe powodowa pogorszenie parametrów eksploatacyjnych, dlatego wane
jest wane 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 zaley 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 rónorodno 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 uytkownikowi 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.
564
Ewa Rostek, Maciej Babiak
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.
Keywords: conventional biofuels, advanced biofuels, Worldwide Fuel Charter