23 10 24 Mano ukio prenumerata 2024 23 04 15 Gauti naujienas mobili žurnalas
Mano Ūkis 2022/05
Biodegalų įtaka variklio degalų sąnaudoms ir deginių emisijoms
  • Dr. Irena KANAPKIENĖ VDU Žemės ūkio akademija
  • Mano ūkis

Biodegalus pagal žaliavos kilmę ir perdirbimo būdą galima skirstyti į pirmos ir antros kartos. Kyla klausimų, kokius kiekius biodegalų naudoti degalų mišiniuose, kad nebūtų pakenkta dyzeliniams varikliams ir gauta optimali energija, ir koks jų poveikis aplinkai.

Biodegalai į pirmos ir antros kartos skirstomi pagal žaliavos kilmę (maistinės paskirties, genetiškai modifikuoti augalai arba jų atliekos) ir perdirbimo būdą. Pirmai kartai priskiriami jau šiuo metu naudojami, kitaip tariant „tradiciniai“, biodegalai:

  • bioetanolis, gaunamas hidrolizės ir fermentacijos būdu iš javų, cukrinių augalų ir bulvių;
  • grynas augalinis aliejus, gaunamas šalto spaudimo būdu iš aliejinių augalų;
  • biodyzelinas (rapsų metilo esteris RME ar riebalų rūgščių metilo / etilo esteriai FAME ir FAEE), gaunamas šalto spaudimo / išgavimo ir transesterifikacijos būdu iš aliejinių augalų;
  • biodyzelinas (metilo ir etilo esteriai), gaunamas transesterifikacijos būdu iš atliekų / maistinio aliejaus;
  • biodujos, gaunamos degradacijos (irimo) būdu iš šlapios biomasės;
  • bio-ETBE, gaunamas cheminės sintezės būdu iš bioetanolio.

Transporto priemonių degalams grynas augalinis aliejus naudojamas jau nuo XIX a. Jo naudojimas vis dar plačiai tiriamas, nes didelis aliejaus tankis sukelia iššūkių juo maitinant variklius. Dabar vienas populiariausių iš jau naudojamų pirmos kartos biodegalų yra biodyzelinas. Biodyzelino kokybę reglamentuoja LST EN14214:2014 standartas.

Pirmos kartos biodegalų gamybos potencialas yra ribotas, nes gamyba reikalauja konkrečių augalinių žaliavų, kurių trūksta. Be to, dauguma šiuo metu naudojamų pirmos kartos biodegalų pagaminti iš žaliavos, kuri tiesiogiai konkuruoja su maistiniais augalais.

Antros kartos biodegalams gaminti naudojama lignoceliuliozės turinti žaliava. Tai mediena ir jos atliekos, žemės ūkio atliekos (šiaudai, kukurūzų kotai ir kt.), energiniai augalai (rykštėtosios soros, drambliažolės ir kt.). Antros kartos biodegalų žaliavų pasirinkimas yra didelis ir jų kiekiai milžiniški, svarbiausia – nesudaro konkurencijos maisto produktų gamybai.

Antros kartos biodegalams priskiriama:

  • bioetanolis, gaunamas pažangesnės hidrolizės ir fermentacijos būdu iš lignoceliuliozės biomasės (išskyrus maistui skirtą žaliavą);
  • sintetiniai biodegalai (BTL – biomasės virtimas skysčiu; FT – Fišerio Tropšo dyzelinas); sintetinis (bio-) dyzelinas, bioDME, bioetanolio sunkesni (mišrūs) alkoholiai, gaunami dujofikavimo ir sintezės būdu iš lignoceliuliozės biomasės (iš pramoninių ir komunalinių atliekų ir kt.);
  • HVO; NExBTL, gaunami hidrinimo būdu iš augalinių aliejų ir gyvūninių riebalų, medienos ir pramoninių atliekų;
  • biodimetilfuranas (bioDMF), gaminamas iš cukrinių augalų transformacijos būdu (įskaitant celiuliozės transformaciją termocheminiais ir biocheminiais procesais);
  • sintetinės dujos (SGD), gaunamos dujofikacijos ir sintezės būdu iš lignoceliuliozės biomasės (iš sąvartynų ir nuotekų dumblo);
  • biovandenilis, gaunamas dujofikacijos ir sintezės arba biologinio proceso būdu iš lignoceliuliozės biomasės.

Trečios kartos biodegalų gamybai pradėti tirti dumbliai ir mikrodumbliai.

Pasaulyje yra platus pasirinkimas pirmos ir antros kartos biodegalų, kai kurie iš jų naudojami gryni ar kaip mišinių komponentai. Jie visi pasaulio mokslininkų plačiai tiriami, tačiau vis dar nėra bendros nuomonės, kokiais kiekiais mišiniuose juos naudoti, kad nebūtų pakenkta varikliams ir būtų gaunama optimali energija, taip pat svarbu poveikis aplinkai – kokie išskiriami deginių emisijų kiekiai.

Efektyvumo tyrimai

Siekiant ištirti, kokią įtaką pirmos ar antros kartos biodegalai turi variklio darbo efektyvumui ir išmetamų deginių kiekiams, buvo atlikti eksperimentiniai tyrimai VDU ŽŪA Inžinerijos fakulteto Variklių bandymų laboratorijoje su šiuolaikiniu Common rail tiesioginio įpurškimo (DI) dyzeliniu 115 AG (85 kW) varikliu FIAT 1.9 JTD 8V, jam veikiant pastoviu 2 500 aps./min. sukimosi dažniu.

Eksperimentiniams tyrimams naudoti degalai ir jų mišiniai buvo ruošiami iš tokių komponentų:

  • mineralinio dyzelino, atitinkančio LST EN 590:2014+AC standartą (1 klasė),
  • hidrinimo būdu pagamintų HVO degalų (antros kartos biodegalai),
  • biodyzelino – rapsų aliejaus riebalų rūgščių metilo esterio, sutrumpintai vadinamo RRME, atitinkančio LST EN 14214:2014 standartą (pirmos kartos biodegalai).

Iš jau minėtų komponentų degalų buvo naudojami gryni HVO degalai, grynas mineralinis dyzelinas (DF) ir dyzelino su RRME bei HVO su RRME degalų mišiniai. Tiek į HVO, tiek į gryną dyzeliną buvo įmaišytas toks pats kiekis (42 proc.) RRME. Gryni pirmos kartos biodegalai RRME tyrimams nebuvo naudojami dėl itin didelės klampos.

Naudoti degalai ir jų mišiniai skyrėsi fizinėmis ir cheminėmis savybėmis. Antros kartos HVO degalai išsiskyrė itin dideliu 78,9 cetano skaičiumi, HVO ir RRME degalų mišinys buvo mažesnio cetano skaičiaus (67,3), o dyzelino ir jo mišinio su RRME cetano skaičius buvo mažiausias (51,2 ir 51,4). Grynas dyzelinas ir antros kartos degalai HVO sudėtyje neturi deguonies, o paruoštuose degalų mišiniuose, kurių sudėtyje yra RRME, deguonies kiekis sudarė 4,5 proc. (tikėtina, kad deguonis degalų sudėtyje gali pagerinti jų sudegimą cilindre). Taip pat skyrėsi visų degalų ir degalų mišinių šilumingumas, stachiometrinis oro degalų santykis ir kitos fizinės ir cheminės savybės (tankis, kinematinė klampa ir t. t.).

Lyginamųjų degalų sąnaudų priklausomybė nuo variklio efektyviosios galios, variklį maitinant grynais HVO degalais, grynu dyzelinu, dyzelino ir RRME, HVO ir RRME degalų mišiniais, varikliui veikiant pastoviu 2 500 aps./min. sukimosi dažniu, pateikta grafike. Mažiausios degalų sąnaudos gautos naudojant gryną mineralinį dyzeliną ir HVO degalus. Panaudojus degalų mišinius su RRME, degalų sąnaudos buvo kur kas didesnės grynų dyzelinių ir HVO degalų atžvilgiu, varikliui veikiant skirtinga galia. Nors varikliui dirbant didesne galia degalų sąnaudos didesnės ne tik naudojant degalų mišinius su RRME, bet ir gryną HVO. Taigi, variklio ekonomiškumas mažėja, naudojant degalų mišinius su RRME, tačiau naudojant HVO degalus lyginamosios degalų sąnaudos išlieka panašios, kaip ir variklį maitinant grynu mineraliniu dyzelinu.

Įtaka išmetamų deginių kiekiui

Bendroji azoto oksidų NOx emisija, kuri susideda iš dviejų komponentų NO ir NO2, didėjo, variklio galiai didėjant nuo 18 iki 58 kW. Varikliui pasiekus didžiausią 56–58 kW galią, NOx emisijos buvo maksimalios: 1 235 ppm (DF), 1 271 (HVO), 1 241 (DF-RRME) ir 1 271 ppm (HVO-RRME). Taigi, HVO degalai NOx emisiją padidino 2,9 proc., panašūs pokyčiai buvo ir varikliui veikiant mažesnėmis galiomis. Neigiamą įtaką NOx emisijų kiekiams galėjo turėti didesnis cetano skaičius (DF ir DF-B – 51, BTL-B – 67, BTL – 79). Tokį NOx kitimą, atsižvelgiant į cetano skaičių, yra pastebėję ir kiti pasaulio mokslininkai.

Didėjant variklio galiai nuo 18 iki 58 kW, kitaip nei NOx emisijos pokyčiai, NO2 kiekiai mažėjo. Padidėjus variklio apkrovai, kartu ir temperatūrai cilindre, degimo metu išsiskyrė minimalūs NO2 kiekiai, tiek naudojant degalų mišinius, tiek grynus degalus: 14,1 ppm (DF), 12,4 (HVO), 25,8 (DF-RRME), 22,6 ppm (HVO-RRME). Galima daryti prielaidą, kad didesniam išskiriamam NO2 kiekiui įtakos galėjo turėti RRME priedas degaluose, o HVO degalai degdami išskiria mažesnius NO2 kiekius.

Anglies viendeginio (CO) dujos yra nuodingos žmogui, jos bekvapės ir sunkesnės už orą, todėl, esant netvarkingai transporto priemonės išmetimo sistemai, kaupiasi patalpų apačioje. Jei patalpų ventiliacijos sistema neefektyvi, o gal jos ir nėra, kyla grėsmė žmogaus sveikatai ir net gyvybei. Varikliui veikiant vidutine 36–44 kW galia, ženklių skirtumų naudojant tiek grynus (DF, HVO) degalus, tiek degalų mišinius (DF-RRME, HVORRME) nepastebėta, o išskiriami CO kiekiai minimalūs. Tačiau variklį apkraunant mažiau arba maksimaliai CO emisijų pokyčiai ženklesni. Varikliui veikiant 56–58 kW galia, didžiausi CO kiekiai 2 982 ir 1 814 ppm išsiskyrė cilindre degant atitinkamai HVO ir DF degalams, o degant degalų mišiniams su RRME gauti mažesni CO kiekiai (DF + RRME – 943 ppm , HVO + RRME – 1 110 ppm).

Nesudegę angliavandeniliai (CH) atsiranda tada, kai degalai nevisiškai sudega cilindre. Maksimalus CH emisijos kiekis buvo varikliui veikiant maksimalia 56–58 kW galia. Esant mažesnėms variklio galioms (18–52 kW), išskiriami mažesni CH kiekiai. Mažiausios CH reikšmės gautos naudojant antros kartos HVO degalus, tik varikliui veikiant maksimalia galia mažesni nesudegusių angliavandenilių kiekiai gauti panaudojus gryną mineralinį dyzeliną.

Varikliui veikiant mažesnėmis ir vidutinėmis apkrovomis, didžiausias dūmingumas nustatytas jį maitinant grynu mineraliniu dyzelinu. Naudojant grynus antros kartos biodegalus HVO dūmingumas mažesnis, o panaudojus degalų mišinius su RRME (DF + RRME, HVO + RRME) dūmingumo reikšmės buvo dar mažesnės, palyginti su gryno mineralinio dyzelino naudojimu. Mažiausias dūmingumas nustatytas, panaudojus HVO ir RRME degalų mišinį varikliui veikiant nuo mažiausios iki didžiausios galios. Iš gautų duomenų galima daryti prielaidą, kad naudojant tiek HVO, tiek RRME varikliams maitinti galima sumažinti dūmingumą.

Apibendrinant gautus rezultatus matyti, kad vienareikšmio atsakymo nėra, kurie degalai mažiau kenkia aplinkai. Galima pastebėti, kad tiek pirmos kartos (RRME), tiek antros kartos (HVO) biodegalų naudojimas sumažina dyzelinio variklio dūmingumą. Naudojant HVO biodegalus galima sumažinti nesudegusių angliavandenilių kiekį (CH) ir azoto dioksido kiekį (NO2) (tai pastebima varikliui veikiant vidutinėmis apkrovomis). Variklį maitinant tradiciniu mineraliniu dyzelinu ar HVO biodegalais, lyginamosios degalų sąnaudos mažai kito, varikliui veikiant mažomis ir vidutinėmis apkrovomis, tačiau panaudojus degalų mišinius su RRME degalų sąnaudos padidėjo.

Naudodami tiek pirmos, tiek antros kartos biodegalus galbūt visų aplinkosauginių problemų neišspręsime, tačiau bent iš dalies prisidėsime prie jų sprendimo. Lietuva turėtų transporto sektoriaus aplinkos taršos problemą spręsti kompleksiškai, įtraukdama atsinaujinančių energijos išteklių naudojimą transporte, darnų judumą, naujų inžinerinių sprendimų pritaikymą biodegalų gamyboje ir transporte, intelektinių technologijų taikymą, sąmoningo vartojimo skatinimą transporto sektoriuje ir imantis kitų iniciatyvų.