Kvapalné palivá na báze rastlinných olejov a živočíšnych tukov pre dopravu a energetiku

Význam projektu

Projekt vychádza zo situácie v oblasti biopalív na Slovensku a zo stavu problematiky v celosvetovom či európskom meradle. Dokumenty EÚ (Biela kniha Komisie „Európska dopravná politika do r. 2010. čas rozhodnutia“, Smernica 2003/30/EC)

• vyzývajú pri očakávanom zvýšení emisií CO 2 o 50 % v roku 2010 oproti roku 1990 najmä vďaka cestnej doprave s 84 % emisií CO 2 na zníženie závislosti na rope (v súčasnosti 98 %) v dopravnom sektore používaním alternatívnych látok ako sú biopalivá
• upozorňujú, že čistý rastlinný olej surový alebo rafinovaný, no chemicky nemodifikovaný, by sa tiež mohol používať ako biopalivo v špeciálnych prípadoch, kedy je jeho používanie zlučiteľné s typom príslušného motora a zodpovedajúcimi emisnými požiadavkami
• zdôrazňujú, že podpora výroby a používania biopalív by mala prispieť k zníženiu závislosti na dovoze energie a emisií skleníkových plynov, okrem toho biopalivá v čistej forme alebo ako zmes sa môžu v zásade používať v existujúcich motorových vozidlách a v súčasných systémoch distribúcie paliva a zmiešavanie biopalív s fosílnymi palivami by mohlo prispieť k potenciálnej úspore nákladov v distribučnom systéme spoločenstva
• vyzývajú na podporu výskumu a technologického vývoja v oblasti udržateľnosti biopalív.

Vychádzajúc z dostupných vedecko-technických informácií, reálnych spoločenských potrieb a vedecko-výskumného potenciálu a skúseností riešiteľského kolektívu sa projekt zameriava práve na tieto aktuálne úlohy, čím môže okrem iného aj prispieť k implementácii Smernice 2003/390/EC v podmienkach SR. Riešiteľský kolektív projektu, ktorý sa zaoberá touto problematikou už 15 rokov, je publikačne aktívny v tejto oblasti, vyvinul rad originálnych riešení v súvislosti s biopalivami, má dostatok skúseností v tejto problematike a je schopný ciele projektu dosiahnuť a naplniť. Zvýšená frekvencia relevantných publikácií vo vedeckých časopisoch v poslednom období svedčí o aktivite v tejto oblasti a o opodstatnenosti projektu.

Riešenie projektu sa sústreďuje na nasledovné 4 oblasti:

• hydrogenačné krakovanie triacylglycerolov (TAG) za miernych podmienok (hydroprocessing)
• využitie TAG ako paliva pre dieselové motory
• palivové zmesi fosílnej nafty s obsahom biokomponentov (etanol, metylestery vyšších mastných kyselín, fatty acid methyl esters – FAME)
• energetické využitie glycerolovej fázy (GF) z výroby FAME alebo čiastočne rafinovaného glycerolu (G) v kotloch

Súčasný stav problematiky

V súčasnosti používané palivá pre dieselové motory obsahujú zložky prakticky iba na ropnej báze. Pri neustále stúpajúcej spotrebe a cene palív je tento stav neúnosný. Emisie zo spaľovania fosílnych palív sú vážnym problémom pre životné prostredie. Cieľom Kjótskeho protokolu je zníženie nepriaznivého vplyvu ľudskej aktivity na atmosféru a na počasie. Európska únia sa dohodla na redukcii emisií oxidu uhličitého, metánu a ďalších skleníkových plynov o 8 % do roku 2010 so štartovacou úrovňou roku 1990. Jedným z objektov poľnohospodárskej politiky EÚ je nájsť využitie poľnohospodárskej nadprodukcie v oblasti kvapalných palív a zvýšiť tak palivovú sebestačnosť. Európska direktíva 2003/30/EC uvažuje indikatívne s 2 % biopalív z objemu palív spotrebovaných v roku 2005. Ďalšou požiadavkou tejto smernice je zvýšenie podielu biopalív na 5.75 % v roku 2010. Táto direktíva je záväzná pre všetky členské štáty únie.

Najviac rozšíreným biogénnym palivom pre dieselové motory v súčasnosti sú metylestery vyšších mastných kyselín (FAME) z rastlinných olejov a živočíšnych tukov. Ako palivo sa používajú aj v čistej forme, prevažne však ako zložka v zmesi

s fosílnou naftou. FAME vykazujú rad pozoruhodných vlastností, z ktorých možno spomenúť napríklad výrazne lepší emisný profil spalín v porovnaní s fosílnou naftou, menej tuhých častíc v spalinách a ďalšie.

V poslednom období vzniká nový fenomén v súvislosti s výrobou FAME, a to vedľajší produkt tzv. G-fáza s nevyriešeným využitím. G-fáza predstavuje asi 15 až 18 % zo vstupného oleja/tuku a obsahuje glycerol (G), alkalické mydlá, alkálie, FAME a metanol. Kedysi vítaný zdroj G teraz pri masovej výrobe FAME začína byť vysoko problémovým produktom, ktorý zaťažuje výrobcov. Výskumné aktivity v smere zužitkovať cenný triol G narážajú na kvantitatívne obmedzenia. Cena G (polorafinovaný G s obsahom G nad 90 %) klesla za posledné roky viac ako desaťnásobne a v súčasnosti sa pohybuje na úrovni okolo 3 SKK/kg. Preto aj jednou z etáp predloženého projektu je aktivita v smere využiť tento produkt na energetické účely.

Ďalším reálnym biogénnym motorovým palivom je bioetanol (etanol pripravený kvasnými technológiami z biomasy). Jeho využitie v palivách pre vznetové motory je možné v dvoch formách, a síce ako prídavok do fosílnej nafty, alebo ako etylestery mastných kyselín po náhrade metanolu etanolom v transesterifikácii TAG. V palivách pre zážihové motory – v benzínoch je možný alebo prídavok etanolu k benzínom do 20 % ( USA), alebo prídavok ETBE (etyl-terc-butyléter) s podielom do 15 %. ETBE sa pripravuje reakciou etanolu s izobuténom. Výroba bioetanolu v SR je rovnako technicky zvládnutá, pre jeho využitie v sektore palív nie je nateraz dostatočná výrobná kapacita.

Projekt je zameraný aj na štúdium netradičných foriem a spôsobov využitia prírodných triacylglycerolov (TAG) v oblasti kvapalných palív pre motory a pre energetické účely. Toto štúdium sa týka prípravy a vlastností kvapalných systémov na báze TAG ako palív a/alebo ich zložiek pre dieselové motory. Oblasťou záujmu sú možnosti a podmienky využitia čistých TAG a/alebo ich zmesí s fosílnou naftou v dieselových motoroch s konštrukčnou úpravou alebo bez nej. Štúdium vlastností zmesi etanol – nafta ako paliva v dieselových motoroch a jej vplyv na výkon a emisie motora by mohlo viesť k širšej možnosti využitia bioetanolu v dieselových palivách. Urgentné a významné je riešenie energetického využitia polárnej glycerolovej fázy (GF) a čiastočne rafinovaného glycerolu (G) z výroby metylesterov. Kľúčovým programom predloženého projektu je však štúdium hydrogenačného krakovania TAG pri miernych podmienkach ako metódy prípravy zlepšovača cetánového čísla a/alebo paliva a zložky paliva pre dieselové motory.

Projekt obsahuje niektoré riešenia a koncepcie, ktoré v istej forme už existujú a v odbornej a vedeckej literatúre sú o nich čiastočné informácie, tieto sú však z pochopiteľných dôvodov neúplné a nedostatočné pre realizáciu v podmienkach a možnostiach SR. Cieľom projektu je doplniť tieto údaje, získať podrobné informácie o procesoch a materiáloch, overiť výsledky v laboratóriu aj v praxi, inovovať postupy a dodať nové podklady pre zmenu doterajších skeptických a zastaralých názorov.

Ciele projektu

Etapa „Hydrogenačné krakovanie TAG za miernych podmienok (hydroprocessing)“

V tejto etape sa chceme venovať štúdiu katalytických systémov pre tento typ procesov. Surovinou môžu byť jednak TAG každého druhu a pôvodu, jednak aj voľné mastné kyseliny FFA. Diverzifikácia zdrojov je významným faktorom, ktorý pomáha minimalizovať logistické náklady. Vykoná sa komplexná analýza produktov procesu jednak samotných, jednak ich zmesí s klasickou motorovou naftou, prešetria sa možnosti úprav vlastností zmesi bežne používanými prísadami. Absolvujú sa obvyklé testy vrátane motorových. Vypracujú sa podklady pre prevádzkové využitie procesu a jeho produktov. Cieľom etapy sú podklady pre prípravu alkanicko-izoalkanickej zmesi uhľovodíkov C12 až C24 ako zlepšovača CN, resp. zložky paliva pre dieselové motory.

Etapa „TAG ako palivo pre dieselové motory“

Predmetom prác v rámci tejto etapy bude využitie rastlinných olejov (v obmedzenej miere aj živočíšnych tukov, napr. bravčová masť) ako paliva pre dieselové motory neupravené alebo upravené. Vykonajú sa stanovištné motorové skúšky čistých TAG rastlinného pôvodu ako paliva pre neupravené motory zamerané na výkon motora, spotrebu paliva, emisie, dymenie, vplyv na motorový olej, čistotu spaľovacieho motora a vstrekovacích dýz, obsah popola v TAG a jeho vplyv na chod motora. Preštuduje sa vplyv stupňa rafinácie oleja na komplexnú prevádzku motora, prebehnú laboratórne skúšky úpravy čistých rastlinných olejov, budú sa aplikovať jednoduché úpravy oleja pre toto využitie. Prebehne výber vhodných prísad pre zlepšenie prevádzkových vlastností motora (antioxidačné, antikorózne a detergentné prísady, rozpúšťače úsad v motore). Pozornosť sa bude venovať aj vhodne aditivovaným rastlinným olejom, vykonajú sa stanovištné motorové skúšky aditivovaných TAG rastlinného pôvodu ako paliva pre neupravené motory zamerané na výkon motora, spotrebu paliva, emisie, dymenie, vplyv na motorový olej, čistotu spaľovacieho motora a vstrekovacích dýz.

Vykoná sa štúdium možností využitia sústavy TAG + fosílna nafta ako zmesného paliva pre dieselové motory neupravené a upravené. Preskúma sa účinok aditívov na zlepšenie vlastností zmesného paliva a aditívov na zlepšenie prevádzky motora. Motorové testy prebehnú v požadovanom rozsahu.

Etapa „Palivové zmesi fosílnej nafty s etanolom, prípadne so zmesou etanol + FAME“

Výskumné práce v tejto etape sa zamerajú na motorové skúšky aditivovaných binárnych a ternárnych zmesí fosílnej nafty s obsahom biokomponentov (etanol / etanol + FAME) ako paliva pre neupravené/upravené motory zamerané na výkon motora, spotrebu paliva, emisie, dymenie, vplyv na motorový olej, čistotu spaľovacieho motora a vstrekovacích trysiek. Cieľom výskumných prác v rámci tejto etapy je získať podklady pre prevádzku dieselových motorov s palivom na báze biozložiek etanolu a prírodných triacylglycerolov.

Etapa „Energetické využitie glycerolovej fázy z výroby FAME alebo surového glycerolu“

Záujem sa sústredí na priame spaľovanie vysoko predhriatej glycerolovej fázy (GF), resp. čiastočne rafinovanéhoglycerolu (G) rozprášením tryskami v spaľovacej komore priemyselných kotlov a boilerov s cieľom energeticky využiť tento vedľajší produkt. Cieľom výskumných prác v tejto etape je výber a testy vhodných zariadení na energetické využitie vedľajšieho produktu z výroby FAME, najmä výber horákov a vhodné úpravy materiálu pre spoľahlivú a bezpečnú prevádzku týchto energetických zariadení.

Aktuality

Riešiteľský kolektív – kontakty

Na riešení projektu sa zúčastňujú:

Fakulta chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity (FCHPT STU) ako jediná svojho druhu v SR poskytuje vzdelanie pre inžinierov a bakalárskych pracovníkov výroby, výskumu, projekcie a vývoja v oblasti chemického, potravinárskeho, drevárskeho, farmaceutického a spotrebného priemyslu. Je miestom akademického základného a aplikovaného výskumu pre uvedené oblasti praxe. FCHPT úzko spolupracuje aj s výrobnými podnikmi a spoločnosťami doma aj v zahraničí. Na základe objemu a kvality vedecko-výskumnej práce je úroveň FCHPT porovnateľná s úrovňou špičkových vedeckých univerzít a univerzitných centier v EU. Svedčí o tom vysoký počet publikácií a citácií, grantov, pozvaní na konferencie, široká spolupráca s univerzitami a inštitúciami a členstvo v medzinárodných organizáciách.

Na FCHPT sú k riešeniu projektu k dispozícii potrebné zariadenia pre laboratórny výskum, chemické reaktory pre kvapalnú fázu, tlakové aj beztlakové, pre normálne a vysoké teploty, zariadenia na prípravu a testovanie katalyzátorov, prístroje na analýzu a identifikáciu produktov (GC, GC/MS, HPLC, NMR, IČ, atď.), software na vyhodnotenie údajov.

V rámci projektu FCHPT zabezpečuje organizačné a logistické zabezpečenie projektu, literárnu rešerš, testy a laboratórne skúšky s rastlinnými olejmi s prídavkom bioetanolu, výber vhodných prísad pre zlepšenie štandardných vlastností zmesného paliva a prevádzkových vlastností motora. Uskutoční výber vhodných zariadení na energetické využitie glycerolovej fázy/surového glycerolu.

Fakulta chemickej a potravinárskej
technológie STU
Ústav fyzikálnej chémie a chemickej fyziky
Oddelenie fyzikálnej chémie
Radlinského 9, 812 37 Bratislava
Doc. Ing. Ján Cvengroš, DrSc.
Tel.: 02/59325531
Fax: 02/52495381
e-mail: [email protected]
http://www.chtf.stuba.sk/kfch/

VÚRUP, a.s. poskytuje služby v oblasti aplikovaného výskumu a vývoja, inžinierskych prác, konzultačné a poradenské služby, pričom sa orientuje najmä na spracovanie ropy, rafinérske, petrochemické a environmentálne technológie, ako aj na využitie surovín zo sekundárnych a obnoviteľných zdrojov. Spoločnosť je certifikovaná podľa ISO 9001: 2000 slovenskou SKQS a nemeckou DQS tak na výskumnú a vývojovú činnosť, ako aj na oblasť výroby chemických špecialít, poskytovanie servisných služieb a na činnosti skúšobných laboratórií, ktoré sú naviac akreditované podľa STN EN ISO/IEC 17025. Riešiteľské pracovisko disponuje vysoko-odborným a skúseným personálom, výskumno-vývojovými a analytickými zariadeniami pre vývoj a skúšky nových alebo inovovaných výrobkov v oblasti motorových a alternatívnych palív pre zážihové, vznetové a prúdové motory, rozpúšťadlá, vykurovacie plyny a oleje, asfalty, špeciality, prísady, zeolity a katalyzátory. Súčasťou pracoviska je aj strojnomotorová skúšobňa, kde sa vykonávajú strojné a motorové skúšky motorových palív, olejov, hydraulických kvapalín na špeciálnych skúšobných a plnorozmerných motoroch a skúšobných vozidlách. Mnohé zo skúšobných zariadení sú jediné svojho druhu na Slovensku.

V rámci projektu sa VÚRUP a.s. bude v etape „Hydrogenačné krakovanie“ venovať štúdiu vhodných katalyzátorov, vhodných reakčných podmienok, testovaním rôznych druhov TAG a analýze produktov procesu. Zabezpečí motorové skúšky rastlinných olejov ako dieselového paliva pre neupravené/upravené motory, optimalizáciu úprav motora, štúdium pomeru a parametrov zložiek zmesi nafta-etanol ako dieselového paliva, testy stability zmesi. Zabezpečí osvetu a propagáciu výsledkov v danej oblasti.

VÚRUP a.s.
Vlčie hrdlo
P.O.BOX 50
820 03 Bratislava 23
Ing. Jozef Mikulec, CSc.
Tel.: 02/40558950
Fax: 02/45246276
e-mail: [email protected]
http://www.vurup.sk

Žilinská univerzita v Žiline, Fakulta strojnícka, Katedra dopravnej a manipulačnej techniky, Oddelenie Spaľovacie motory a automobily je vybavená zariadením pre hodnotenie ekonomických a ekologických parametrov piestových motorov, programovým vybavením pre dynamickú simuláciu vozidiel, motorov, pre simuláciu vonkajšej a vnútornej aerodynamiky a termodynamiky piestových a prúdových motorov s dynamickou simuláciou tvorby toxických komponent výfukových plynov. Katedra je vybavená zariadením pre dynamickú simuláciu pevnostných problémov s výpočtovou simuláciou.

Pracovisko vykoná hodnotenie vlastností produktov hydrogenačného krakovania TAG, vrátane motorových skúšok. Zabezpečí motorové testy zmesí nafta-etanol ako dieselového paliva a propagáciu výsledkov.

Žilinská univerzita
Strojnícka fakulta
Katedra dopravnej a manipulačnej techniky
Oddelenie Spaľovacie motory a automobily
Moyzesova 20
010 26 Žilina
Doc. Ing. Ján Lábaj, PhD.
Tel.: 041/5132681
Fax: 041/5253016
e-mail: [email protected]
http://fstroj.utc.sk

Biorafinéria SK a.s., Martin sa zoberá projekčnou, výrobnou a montážnou činnosťou v oblasti liniek na spracovanie rastlinných olejov a živočíšnych tukov. Orientuje sa najmä na spracovanie prírodných TAG na FAME s dôsledným využitím všetkých vedľajších produktov z výroby FAME, vrátane glycerolu a glycerolovej fázy.

V rámci projektu sa spoločnosť zameria najmä na energetické využitie G-fázy a glycerolu, na testy vhodných zariadení, bilancie a hodnotenie.

Biorafinéria SK a.s.
Flámska 1
036 01 Martin
Ing. Ivan Majerík
Ing. Martin Cvengroš, PhD.
Tel.: 043/4303602
Fax: 043/4220617
e-mail: [email protected]
[email protected]
http://www.biorafineria.sk/