Dnes je 16.7. – svátek slaví Luboš

Jezdím na vlastní palivo: Biopaliva a další alternativy pro zemědělské stroje

Zveřejněno: 19. 6. 2018

Bionafta či přímo surový rostlinný olej byly dosud „klasická“ alternativní paliva pro zemědělské motory. Dnes se nabízejí i další možnosti – zemní plyn, bioplyn, syntetická paliva, alkoholová paliva a elektropohony. Vzhledem k zvyšujícím se nárokům na paliva je však třeba stále více dbát na vstupní složky a kvalitu výroby.

Nejrozšířenějšími kandidáty pro náhradu nafty jsou směsi mastných kyselin pocházející z rostlinných olejů (ilustrace shutterstock, redakce)

Úvodem je třeba si ujasnit, jaké typy motorů se v zemědělských strojích používají. Ve většině těžších strojů jsou motory vznětové, typicky provozované na naftu, a proto nazývány naftové, ač v nich lze spalovat velkou řadu paliv: mezi prvními palivy vznětového motoru byl olej z podzemnice olejné. Palivo je rozprášeno do stlačeného a stlačením silně zahřátého vzduchu před horní úvratí, tj. před vrcholem zdvihu pístu. Malé kapičky se postupně odpařují a dochází ke vznícení paliva. Paliva pro vznětové motory nejsou příliš těkavá, nesnadno se odpařují, snadno však dochází ke vznícení malých kapiček paliva za vysokých teplot a tlaků.

V menších strojích jsou zpravidla motory zážehové, provozované převážně na benzin, a proto nazývané benzinové. Palivo je smícháno se vzduchem. Tato směs je stlačena pístem a před horní úvratí pístu je zapálena jiskrou, tj. vysokonapěťovým výborem mezi elektrodami zapalovací svíčky. Zážehové motory je možné provozovat na paliva, která lze snadno odpařit a tvoří ve vzduchu výbušnou směs, avšak nepříliš snadno dochází k jejich samovolnému zapálení.

Elektrické pohony využívají různé typy elektromotorů, elektrická energie je ukládána v akumulátorech nebo superkondenzátorech, nebo je vyráběna spalovacím motorem či palivovým článkem. Kombinace více druhů pohonů, například elektrického se spalovacím motorem, nazýváme pohonem hybridním.

Druhy paliv

Klasická kapalná paliva jsou vyráběna z ropy, která je dovážena, alespoň dle některých názorů, z politicky problematických zemí, a jejíž cena je obtížně předvídatelná. Spalováním ropy se uvolňuje oxid uhličitý, CO2, jehož emise, spolu s emisemi metanu, oxidu dusného a dalších látek, zvyšují tzv. skleníkový efekt, jehož důsledkem je větší energie atmosférických jevů. Můžeme tak kromě mírného průměrného oteplení očekávat poměrně podstatné zvýšení extrémních jevů, tj. teplot, větru, srážek a sucha. My také vydechujeme CO2, ale tím jen vracíme do atmosféry CO2, který rostliny někde na začátku potravního řetězce při fotosyntéze absorbovaly – viz. obr. 1.

Je tedy žádoucí postupně přecházet na paliva, která lze vyrobit z místních obnovitelných zdrojů s nadějí, že peníze za paliva zůstanou v místní ekonomice, podpoří se zaměstnanost na venkově a podnikání v zemědělství, staneme se méně závislí na importované ropě a zpomalí se celosvětové klimatické změny. Zároveň je nutné si uvědomit, že biopaliva nemohou být jediným řešením, protože intenzita přímého slunečního svitu je kolem jedné kilowatthodiny (kWh) na metr čtverečný a účinnost její přeměny na formy energie využitelné pro dopravu je povětšinou relativně malá. Autobus provozovaný na bionaftu, který ročně najede sto tisíc kilometrů při spotřebě 20 l na 100 km, by na svůj provoz potřeboval sklizeň z desítek hektarů, přičemž s největší pravděpodobností by se jednalo o plodinu cíleně pěstovanou na výrobu bionafty. Bylo by sice možné například pěstovat hořčici, olej využít jako palivo a zbytek rostliny zaorat, z čehož by měly prospěch následovně pěstované plodiny, ale vzhledem k tomu, že tak málokdo činí, se pravděpodobně nejedná o výnosnou akci. Pokud bychom autobus provozovali na elektřinu, kterou budeme vyrábět fotovoltaickými články, při spotřebě 1 kWh na 1 km by spotřeboval stejné množství energie, které vyrobí fotovoltaické panely na circa desetině hektaru, bohužel však z větší části jindy, než kdy ji autobus potřebuje.

Obr. 1: Koloběh CO 2 a živin biopaliv: Ze zemědělských plodin se vyrobí biopaliva pro pohon zemědělských strojů a motorových vozidel, zbylá biomasa může být využita jako krmivo nebo pro výrobu tepla. Zbytky, například popel, se vrací na pole. CO2 , který rostliny absorbovaly při fotosyntéze a přeměnily na uhlovodíky, se jejich spálením vrací do atmosféry, nejedná se tak o emise skleníkových plynů jako u fosilních paliv, ale o součást přírodního koloběhu uhlíku.
Obr. 1: Koloběh CO 2 a živin biopaliv: Ze zemědělských plodin se vyrobí biopaliva pro pohon zemědělských strojů a motorových vozidel, zbylá biomasa může být využita jako krmivo nebo pro výrobu tepla. Zbytky, například popel, se vrací na pole. CO2 , který rostliny absorbovaly při fotosyntéze a přeměnily na uhlovodíky, se jejich spálením vrací do atmosféry, nejedná se tak o emise skleníkových plynů jako u fosilních paliv, ale o součást přírodního koloběhu uhlíku.

Dvě hlavní biopaliva

Dle oficiálních statistik jsou ve světě používána dvě hlavní biopaliva – etanol a bionafta – jejichž využití exponenciálně narůstá. Většina je produkována v USA, EU a Brazílii. Vyjma spíše experimentálního využití etanolu ve vznětových motorech se etanol využívá jako alternativní palivo ve formě E85 (v ČR definované jako směs 70–85 % etanolu, benzinu a aditiv) a ve formě směsi jednotek objemových procent v benzinu v zážehových motorech. Neznámé, ve statistikách nezahrnuté, ale pravděpodobně nikoliv zanedbatelné množství rostlinných olejů převážně místního původu je využíváno především ve venkovských oblastech, často v zemědělských strojích a starších motorech. Menší množství experimentálních paliv je využíváno ve výzkumu a v demonstračních projektech omezeného rozsahu (alkoholová paliva ve vznětových motorech, dimetyleter, apod.).

Ve vznětových motorech lze spalovat „klasickým způsobem" samostatně, s přísadami, či ve směsi s naftou například dimetyleter, dietyleter, alkoholy (etanol, butanol) a další kapalná či snadno zkapalnitelná paliva. Očekávanou, byť v současnosti relativně drahou alternativou, jsou kapalná paliva vyrobená synteticky z kapalných či plynných meziproduktů zpracování biomasy. Vznětové motory je možné provozovat i ve dvoupalivovém režimu, kdy do válce je vstřikována nafta či obdobné palivo a do sacího potrubí je dávkováno plynné nebo snadno odpařitelné kapalné palivo, například alkoholy, dimetyleter, metan, vodík a různé směsi plynů pocházejících z biologických (bioplyn) či chemických procesů (pyrolýzní plyn, generátorový plyn).

S výjimkou rostlinných olejů, které je obtížné vyrobit synteticky, mohou být zmíněná paliva vyrobena buď z biomasy, a v tom případě je lze považovat za biopaliva, nebo z fosilních surovin. Metylestery rostlinných olejů jsou obecně považovány za biopalivo i tehdy, je-li k jejich výrobě použit metanol z fosilních zdrojů, nejčastěji ze zemního plynu.

Náhrada nafty

Nejrozšířenějšími kandidáty pro náhradu nafty jsou směsi mastných kyselin pocházející z rostlinných olejů (a někdy též tuků). Ty jsou spalovány přímo, nebo hydrogenovány, modifikovány na bionaftu či jinak chemicky transformovány pro zlepšení jejich vlastností. Nejrozšířenějším z uvedených paliv je bionafta, definovaná jako směs n-alkyl-esterů mastných kyselin. Ty vznikají rozštěpením triglyceridů mastných kyselin, což jsou relativně objemné molekuly, ze kterých jsou složeny rostlinné oleje a živočišné tuky. Vyrábí se tzv. transesterifikací, kdy glycerinová skupina je nahrazena skupinou zpravidla metylovou, k reakci je tedy potřeba metanol a vedlejším produktem je glycerin, bohužel povětšinou spíše horší než kosmetické kvality. Bionafta se různě pere, suší, odstraňují se z ní nežádoucí sloučeniny a příměsi a pokud jsme si při výrobě zlikvidovali přírodní antioxidanty obsažené v rostlinných olejích, dodávají se též antioxidanty. Klasickým druhem bionafty je metylester řepkového oleje, používá se i olej slunečnicový, palmový, sojový a řada dalších. Bionaftu je možné spalovat čistou nebo ve směsi s ropnou motorovou naftou. Taková směs se zpravidla označuje Bxx, kde xx je objemový podíl bionafty v procentech, populární směsi jsou B20 v USA a B30 v Evropě. Bionaftu lze spalovat, při důsledném dodržení požadavků na kvalitu a skladování paliva, ve většině motorů. V některých případech provoz na bionaftu vyžaduje náhradu těsnění a palivových hadic z nevyhovujících materiálů. Motory většinou není třeba dále upravovat či seřizovat, je však třeba zohlednit, že při zachování stejného seřízení bude maximální výkon motoru při provozu na bionaftu až o 5–10 %, nižší z důvodu nižší výhřevnosti bionafty.

Další alternativy

Přímé využití rostlinného oleje jako paliva, ač historicky poměrně časté, bylo často provázeno problémy, zejména díky jeho vysoké viskozitě. Většina motorů, spalujících rostlinný olej, používá přídavný vyhřívaný palivový systém pro rostlinné oleje spolu s použitím motorové nafty pro start motoru, jeho následný ohřev a poté k proplachu palivové soustavy před vypnutím motoru. Příklad takového různopalivového systému je na obr. 2. V Evropě se dnes využívá především řepkový olej palivové kvality, jehož požadované parametry byly stanoveny na přelomu tisíciletí v dokumentu označovaném za „Weissenstephan standard”, z něhož vychází norma E DIN V 51605 a v roce 2007 i česká norma ČSN 65 6516.

Další alternativní cestou je hydrogenace rostlinných olejů, kterou se vyrábí, byť za relativně vysokou cenu, palivo s vysokým cetanovým číslem a vlastnostmi podobnými naftě. Z široké řady vstupních surovin, včetně pyrolýzních plynů, lze pak vyrábět syntetickou naftu. Tu lze ostatně vyrábět i „ze vzduchu”, kdy elektrolýzou vody je vyráběn vodík, jehož reakcí s CO2 je možné vyrobit oxid uhelnatý (CO), z CO a z vodíku lze již syntetizovat řadu uhlovodíků. Nevýhodou všech těchto pokročilých řešení je velmi značná nákladnost výroby, a proto jsou taková paliva zatím nekonkurenceschopná.

Obr. 2: Přestavba traktorového motoru Zetor na rostlinný olej v laboratoři autora. Motor má dva palivové systémy, jeden klasický naftový, druhý, přídavný pro rostlinné oleje, je vyhřívaný chladicí kapalinou. Vzhledem k vysoké viskozitě rostlinného oleje se tento spaluje ohřátý v teplém motoru při středních a vyšších zatíženích.
Obr. 2: Přestavba traktorového motoru Zetor na rostlinný olej v laboratoři autora. Motor má dva palivové systémy, jeden klasický naftový, druhý, přídavný pro rostlinné oleje, je vyhřívaný chladicí kapalinou. Vzhledem k vysoké viskozitě rostlinného oleje se tento spaluje ohřátý v teplém motoru při středních a vyšších zatíženích.

Výhody a nevýhody

Bionafta i rostlinné oleje jsou z mnohých hledisek (požární, toxikologické) méně rizikové než ropná nafta, tyto výhody mohou však zároveň být i nevýhodami (horší startovatelnost motoru za nízkých teplot, rychlejší degradace paliva v zásobnících). Menší stabilita může být i problém u systémů Common Rail s velmi vysokými vstřikovacími tlaky a teplotami, za kterých může docházet k částečnému rozkladu bionafty. U motorové nafty je třeba dbát na kvalitu paliva, například obsah draslíku, fosforu, vody, glycerinu a dalších nežádoucích příměsí, limitovaných EN 14214, zásadní pro zachování funkce a životnosti například filtru částic. Obecně platí, že bionafta by měla být skladována co nejkratší dobu a v čistých nádržích v temnu a chladu, protože voda, vzduch, částečky kovů, sluneční světlo a vysoké teploty urychlují její degradaci, při které se tvoří velmi viskózní řetězce (oligomery). Ty vedou k zalepování a zanášení palivového systému i motoru. Pro bionaftu jsou take nevýhodné nízké teploty, ať již při studených startech nebo dlouhodobě nízkých zatížení motoru.

Alkoholová paliva

Alkoholová paliva, nejčastěji etanol, ale též butanol (jak n-butanol, tak izobutanol), je možné spalovat v zážehových motorech. Protože je výhřevnost alkoholových paliv proti benzinu nižší, je nutné upravit odpovídajícím způsobem seřízení motoru. U malých motorů v zahradní technice s karburátorem, který nelze seřizovat (tzv. bezúdržbový v tom smyslu, že jeho údržba není technicky možná, nikoliv proto, že by seřízení nebylo nutné), je třeba použít větší trysky, nebo stávající trysky převrtat, což při požadované toleranci okolo setiny milimetru lze jen obtížně v domácí dílně. Moderní automobilové motory se dokáží kvalitě a složení paliva přizpůsobit, avšak jen do určité míry. Poměrně tolerantní jsou v tomto směru některé motory Škoda Auto, které lze bez dalších úprav provozovat i na vyšší koncentrace etanolu nebo butanolu. Dále flex-fuel motory, navržené pro E85. Čisté alkoholy v našich podmínkách použít prakticky nelze, protože motor by bylo možné nastartovat pouze za relativně vysokých teplot.

Závěr

Bioplyn je zpravidla plyn vzniklý anaerobními pochody z biomasy. Obsahuje převážně metan a oxid uhličitý, někdy se za něj i označují hořlavé plyny vzniklé přeměnou biomasy jinými způsoby. Plyn vzniklý pyrolýzou, tj. spalováním různých organických materiálů za nepřístupu vzduchu, se zpravidla nazývá pyrolýzní plyn. Typickým příkladem je dřevoplyn, na který byly provozovány motory v době nedostatku benzínu a od používání kterého se již prakticky upustilo, jednak proto, že vyžaduje poměrně kvalifikovanou obsluhu (roztápění, přikládání většího či menšího množství polínek podle toho, jaký výkon je potřeba), a také proto, že obsahuje nečistoty, které nelze jednoduše odstranit a které moderní motory již nejsou schopné tolerovat. Pro pojízdné stroje a silniční vozidla je bioplyn čištěn a vypírán, jsou z něho odstraněny nečistoty a CO2, čímž zbyde prakticky výhradně metan; takový plyn se pak podobá zemnímu plynu, lze jej spalovat v motorech určených pro spalování zemního plynu nebo vpouštět do rozvodné sítě zemního plynu. Stacionární motory jsou pak provozovány na bioplyn upravený do menší míry. Nejčastějším případem jsou kogenerační jednotky, ve kterých motor pohání agregát na výrobu elektrické energie. Ta je dodávána do sítě a odpadní teplo je využito k vytápění budov, skleníků, sušáren, a dalších objektů.

Elektrické pohony lze zatím spíše očekávat převážně u ručního nářadí, lehčích strojů a strojů s malým výkonem nebo používaných krátkodobě nebo uvnitř budov. Ve většině případů tyto používají elektrickou energii z rozvodné sítě. Pečlivá rozvaha toků energie – rozvaha, jaká energie, kdy a kde je k dispozici, jaká energie, kdy a kde je potřeba – je prozatím záležitostí energeticky nezávislých, případně energeticky zcela soběstačných systémů (hospodářství, osad, podniků), zpravidla v odlehlých oblastech, v případech silné ekologické či jiné motivace a v případech experimentálních systémů. Časem však lze očekávat postupné rozšiřování elektrických pohonů a postupný přechod na dynamickou energetickou soustavu s mnoha malými a vzájemně koordinovanými zdroji energie.

Autor: doc. Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D.
Foto: Archiv autora, Shutterstock

Tématické tagy

Tématické obory

Nové

Bioplynové stanice a využití odpadního tepla

Zveřejněno 16.7. Využití bioplynu zažilo v posledních letech velký rozvoj. Není divu, jedná se o komoditu s velkými možnostmi využití a potenciálem do budoucna. Je proto třeba mu věnovat nemalou pozornost. Přehled o historii bioplynu, bioplynových stanic, o… jít na článek

Tepelné a vodotěsné izolace zemědělských staveb pur pěnou

Zveřejněno 15.7. Přemýšlíte, jak ušetřit za vytápění či chlazení Vaší stáje, skladu nebo dílny a potřebujete kvalitně zateplit? Máte zde problémy s vodotěsností či kondenzací? Tyto problémy a ještě více Vám zvládne vyřešit firma PUR-IZOLACE s.r.o. se sídlem v… jít na článek

Rostlinolékařský portál: Aktuální výskyty v okrese novinkou pro rok 2018

Zveřejněno 14.7. Rostlinolékařský portál zpřístupňuje uživatelům informace týkající se složitých otázek systému hospodaření. Přináší informace umožňující šetrnější používání přípravků na ochranu rostlin, včetně využití jejich přirozenějších alternativ. Novinkou… jít na článek