Uniwersytet Łódzki
dr Leszek Margielewski
●
Zasoby energetyczno-paliwowe dzielimy na odnawialne i nieodnawialne.
●
Odnawialne zasoby energetyczne:
– energia mechaniczna atmosfery i hydrosfery:
● wiatry
● pływy wód śródlądowych
● pływy wód morskich
– ciepło geotermiczne
– energia słoneczna
●
Nieodnawialne zasoby energii:
– energia zawarta w surowcach kopalnianych:
● węgiel kamienny
● węgiel brunatny
● ropa naftowa
● gaz ziemny
– energia jądrowa
●
Paliwa zastępcze to dowolny chemiczny nośnik energi , którego zastosowanie pozwoli ograniczać zapotrzebowanie na ropę naftową.
●
Od paliwa zastępczego wymaga się spełnienia następujących warunków:
– występowanie w dużych ilościach
– posiadanie właściwości umożliwiających stosowanie ich do zasilania silników spalinowych:
●
wartość opałowa
●
energia zapłonu
●
zdolność do zapłonu i samozapłonu
– niskie koszty produkcji i sprzedaży
– niestanowienie zagrożenia dla naturalnego środowiska
●
brak emisji toksycznych spalin
●
niska emisja dwutlenku węgla w czasie wytwarzania
●
niska emisja tlenków azotu
– zapewnienie dużej sprawności silników i bezpieczeństwa ich użytkowników.
●
Paliwa zastępcze mogą być w formie gazowej jak i ciekłej.
●
Gazowe i ciekłe paliwa zastępcze dzielimy na naturalne i otrzymywane przemysłowo.
●
Gazowe paliwa pochodzenia naturalnego to:
– gaz ziemny (92% metanu)
– gaz fermentacyjny (60-70% metanu, 2% wodoru i około 30% dwutlenku węgla)
●
Gazowe paliwa otrzymane przemysłowo to:
– gaz świetlny i koksowniczy (50% wodoru, 20% metanu oraz około 4%
tlenku węgla)
– gazy generatorowe otrzymane przez gazyfikację węgla kamiennego i drewna (wodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla oraz metan)
– mieszanina propan-butan
– wodór
Ciekłe paliwa zastępcze – podział
●
Ciekłe paliwa zastępcze pochodzenia naturalnego to:
– olej z łupków bitumicznych
– olej roślinny
– metyloester
●
Ciekłe paliwa zastępcze otrzymane przemysłowo to:
– alkohole i ich mieszaniny z benzyną i olejem napędowym
– metanol
– etanol
– paliwo syntetyczne lub otrzymywane przez rafinację węgla kamiennego
– ciekły propan (LPG- Liquified Petroleum Gas)
– ciekły gaz naturalny (LNG- Liquified Natural Gas)
Jednoskładnikowe paliwa zastępcze
●
Paliwa zastępcze mogą być jednoskładnikowe lub stanowić mieszaniny.
●
Do jednoskładnikowych paliw zastępczych zaliczamy:
– wtórne produkty pochodzące z przeróbki paliw :
●
gaz świetlny
●
koksowniczy
●
generatorowy
●
fermentacyjny
– gazy:
●
gaz ziemny
●
gazy skroplone
●
metan
– paliwa syntetyczne:
●
wodór
●
alkohole
●
amoniak
– czysty olej roślinny
Wielooskładnikowe paliwa zastępcze
●
Do wieloskładnikowych paliw zastępczych zaliczamy:
– mieszaniny benzyny lub oleju napędowego z syntetycznymi alkoholami lub wysokooktanowymi składnikami
– mieszaniny benzyny lub oleju napędowego z wodorem (zmniejszenie toksyczności spalin, oraz poprawa sprawności silnika)
– mieszaniny wody z różnorodnymi paliwami (zmniejszenie zawartości związków azotu w spalinach, poprawiają przebieg spalania)
– zawiesiny w oleju napędowym:
●
sproszkowanych metali takich jak glin, bor
●
koksu
●
sadzy
●
węgla kamiennego
●
celulozy
●
skrobi pszenicznej i kukurydzianej
– mieszaniny oleju napędowego i olejów roślinnych
Własności paliw konwencjonalnych i zastępczych
OLEJ NA-
OLEJ ROŚ-
PARAMETR
JEDNOSTKA
BENZYNA
METAN
LPG
WODÓR
METANOL
ETANOL
AMONIAK
PĘDOWY
LINNY
GĘSTOŚĆ W 25°C
kg/m3
750
850
424
540
71
795
789
930
710
170
TEMPERATURA WRZENIA
°C
30
190
350
-162
-30
-253
65
78
180
360
-34
CIEPŁO PAROWANIA
kJ/kg
420
300
510
353
450
1119
904
–
1367
MJ/kg
41.0
43
50
46
120
19.7
26.8
37.1
WARTOŚĆ OPAŁOWA
MJ/m3
30.8
35.8
21.2
24.8
8.5
15.5
21.2
34.5
17.1
0.48
0.7
0.4
0.5
0.34
0.3
GRANICA ZAPALNOŚCI
λ
0.4
1.4
1.35
2.1
1.7
10.5
2.0
2.1
RÓWNOWAŻNIK
l
ENERGETYCZNY 75 L
75
67
415
100
280
143
110
67
164
BENZYNY
MASA PALIWA ZE ZBIOR-
kg
61
58
500
85
150
124
95
58
152
NIKIEM
TEORETYCZNE
ZAPOTRZEBOWANIE
kg/kg
14.7
14.5
17.2
15.5
35
6.5
9.0
12.7
POWIETRZA
Skład paliwa, a energia zapłonu i wartość opałowa
3.8
2.5
3.4
benzyna
2
metan
3
gaz ziemny
propan
]3
]
etanol
3
wodór
J/m 2.6
metanol
J/m
[M
1.5
a
wodór
w
a [M
łoa 2.2
amoniak
p
ść o
1
rto 1.8
a
artość opałow
W
W
1.4
0.5
1
0
0.6
0
0.5
1
1.5
2
0.5
1
2
3
4
5
Współczynnik nadmiaru powietrza [λ]
Współczynnik nadmiaru powietrza [λ]
Temperatury samozapłonu różnych paliw 700
TEMPERATURA
600
PALIWO
SAMOZAPŁONU
[°C]
[K]
METANOL
470
743
ETANOL
392
665
]
500
BENZYNA
506
779
[°Cu
OLEJ NAPĘDOWY
250-380
523-653
nło
WODÓR
510
783
pza 400
TLENEK WĘGLA
650
923
om
METAN
645
918
sa
PROPAN
500
773
ratu
BUTAN
490
763
ra
300
e
GAZ ŚWIETLNY
p
(50% H
m
2, 20% CH4, 4% CO)
560
833
eT
GAZ GENERATOROWY (50% H2,
40% CO, 5% CH4, 5% CO2,)
600
873
200
Y
L
L
N
N
A
R
Y
Y
N
A
W
O
O
A
A
N
Ó
N
W
A
L
O
N
N
T
P
Y
D
L
O
T
G
D
A
A
U
O
Z
O
T
R
E
Ę
Ę
T
T
B
R
N
IE
O
M
W
P
E
E
P
E
W
W
Z T
K
A
M
B
A
Ś
G A
E
Z
R
N
J N
A
E
E
E
N
L
L
G
E
T
O
G
●
Zalety paliw gazowych:
– wysoka odporność na spalanie stukowe (liczba oktanowa od 90 do 110, wodór 70)
– mniejsza zawartość toksycznych składników w spalinach
– łatwość mieszania się z powietrzem
– brak skłonności do tworzenia nagaru
– niezanieczyszczanie oleju silnikowego
– mniejsze jednostkowe zużycie paliwa
●
Wady paliw gazowych:
– wysoki koszt potrzebny do zorganizowania i eksploatacji sieci stacji napełniania butli gazem
– dodatkowe wydatki na zakup i zainstalowanie niezbędnych urządzeń
– mniejsza ładowność i przestrzeń użytkowa pojazdu ze względu na umieszczoną instalację gazową
– zmniejszenie mocy silnika (10-15%) przy niezmienionym stopniu sprężania
●
Zalety wodoru jako paliwa:
– brak składników toksycznych w spalinach
– duży współczynnik dyfuzji w powietrzu
– szeroki zakres palności mieszanki
– mała energia zapłonu (około 70 razy mniejsza niż dla metanu)
– duża szybkość spalania
●
Wady wodoru jako paliwa:
– skłonność do spalania stukowego przy stopniu sprężania powyżej 6
– mała liczba oktanowa
– mała gęstość energetyczna
– aktywność w stosunku do metali
– trudności w magazynowaniu i przechowywaniu
Alkohole jako paliwo do silników ZI i ZS
●
Do zasilania silników z zapłonem iskrowym mogą być stosowane metanol i etanol, a do zasilania silników z zapłonem samoczynnym butanol.
●
Zalety alkoholi jako paliw:
– wysoka liczba oktanowa
●
Wady alkoholi jako paliw:
– utrudnione mieszanie się z paliwem
– rozwarstwianie mieszaniny w obecności wody
– niska wartość opałowa
– utrudniony rozruch zimnego silnika
– duża aktywność korozyjna
– rozpulchnianie tworzyw sztucznych
WIELKOŚĆ
BENZYNA
METANOL
ETANOL
OLEJ NAPĘDOWY
BUTANOL
GĘSTOŚĆ [kg/dm3]
0.70-0.77
0.79
0.79
0.85
0.81
WARTOŚĆ OPAŁOWA [MJ/kg]
OK. 43.4
19.73
24.98
43
35
TEORETYCZNE ZAPOTRZEBOWANIE
POWIETRZA [kg/kg]
OK. 14.5
6.74
8.55
14.5
12
TEMPERATURA WRZENIA [°C]
20-215
64
78
170-360
117
PRĘŻNOŚĆ PAR W 293K [mmHg]
435
98
42
LOB
91-100
133
129
LOM
82-92
105
102
TEMPERATURA SAMOZAPŁONU [°C]
500
470
392
250-380
340
Właściwości olejów rzepakowych ESTER METYLOWY OLEJU
PARAMETR
OLEJ NAPĘDOWY
OLEJ RZEPAKOWY
RZEPAKOWEGO (RME)
LICZBA CETANOWA
49
36.4
50
WARTOŚĆ OPAŁOWA [MJ/dm3]
35.4
34.3
33.2
LEPKOŚĆ KINEMATYCZNA W
20°C, mm2/s
5.1
77.8
7.5
TEMPERATURA BLOKOWANIA
ZIMNEGO FILTRU [°C]
-12
-20
-9
TEMPERATURA MĘTNIENIA [°C]
-1
-11
-3
TEMPERATURA KRZEPNIĘCIA [°C]
-15
-21
-12
stosowania paliw zastępczych
TECHNIKA
DYSTRYBUCJA, BEZPIECZEŃ- CZAS TANKO-
ZASIĘG
SMAROWANIE
KOSZTY
POJAZDOWA
PORĘCZNOŚĆ
STWO
WANIA
WODÓR
*
***
****
**
*
***
LNG*
***
*#
**
#
#
CNG
*
**
*
**
**
#
#
LPG
*
*
*
#
#
#
#
METANOL
*
**
*
#
**
*
**
ETANOL
*
*
#
#
*
#
***
RME#
*
#
#
#
**
***
ELEKTRYCZNY
***
#*
***
***#
***
# - BRAK OGRANICZEŃ, * - STOPIEŃ WZROSTU ZAKRESU OGRANICZEŃ