Utilizarea rapiței la motoarele diesel

La începutul apariției motoarelor cu ardere internă, se foloseau deja propulsori naturali. Rudolf Diesel și-a condus inițial motorul cu ulei de arahide, deoarece funcționarea cu cărbune praf nu a funcționat. Proprietățile excelente și prețul scăzut al benzinei și motorinei derivate din țiței au înlocuit în curând utilizarea altor combustibili în tehnologia motoarelor cu ardere internă. Cu toate acestea, stocurile de petrol se vor epuiza în timp, astfel încât interesul se îndreaptă către alți combustibili.

Astăzi există aproximativ 1.000.000.000 (un miliard) de mașini în lume și numărul lor crește cu 50-70 milioane pe an. Până în 2035, flota auto mondială va depăși două miliarde. Numărul de tractoare este cu aproape două ordine de mărime mai mic, aproximativ 15 milioane, iar două milioane de tractoare noi sunt puse în funcțiune în întreaga lume în fiecare an. Flota maghiară de tractoare este de aproximativ 120 de mii.

Figura 1. Istoria și viitorul volumelor producției de petrol (Sursa: Evolution, revista SKF 2013. 3.sz. 10.p.)

Cât timp va fi ulei?

Se știe că petrolul care alimentează vehiculele de astăzi se va epuiza mai devreme sau mai târziu. Cantitatea de ulei extras nu va putea ține pasul cu creșterea numărului de vehicule. Istoria producției zilnice de țiței mondial și o estimare a evoluției sale preconizate sunt ilustrate în Figura 1. Pe baza acestui fapt, valoarea maximă a cantității zilnice de țiței convențional care poate fi extrasă din adâncurile pământului va atinge vârful în câțiva ani. Odată cu posibila extracție a surselor neconvenționale de petrol (de exemplu, șistul petrolier), o cantitate semnificativă de țiței va fi disponibilă omenirii timp de aproximativ o sută de ani. În loc de benzină și motorină pentru autovehicule, ar trebui să existe o trecere treptată la propulsori alternativi și sisteme de propulsie alternative (de exemplu, electrice) în loc de motoare cu ardere internă. De asemenea, a început producția și utilizarea propulsorilor regenerabili pe bază de plante.

Tractoarele și mașinile mobile agricole vor fi alimentate cu motoare cu ardere internă pentru mult timp. Creșterea treptată a prețului motorinei va facilita introducerea combustibililor alternativi în tehnologia agricolă.

Vine biodiesel

Gama de propulsori alternativi pentru motoare care sunt fabricate din materiale biologice se numește biocombustibili. Pare evident că uleiurile vegetale pot fi folosite pentru a conduce motoare diesel. Materiile prime pot fi variate, cum ar fi uleiul de rapiță, uleiul de soia, uleiul de floarea soarelui, uleiul de palmier și altele asemenea. În plus față de cele de mai sus, pot fi luate în considerare și uleiul de gătit folosit și uleiurile animale, cum ar fi uleiul de pește. Din păcate, aceste uleiuri nu pot fi utilizate direct pe motoarele diesel existente, arderea lor în motor este imperfectă și pistoanele se blochează în timpul funcționării scurte din cauza depunerilor. După unele prelucrări, uleiurile vegetale pot fi utilizate în motorul diesel de astăzi. Uleiurile vegetale prelucrate se numesc biodiesel. Conform celei mai frecvent utilizate clasificări, există combustibili biodiesel primari și secundari.

Biodiesel de prima generație

Un propulsor pentru motorină diesel produs prin esterificarea uleiurilor vegetale (trigliceride) se numește biodiesel de primă generație. Esterificarea se efectuează cu metanol sau etanol folosind un catalizator lichid, cel mai frecvent hidroxid de potasiu. În timpul procesului, glicerolul liber se formează ca un produs secundar, care este separat. Desigur, catalizatorul trebuie de asemenea îndepărtat.

Esterificarea are ca rezultat formarea unui ester metilic al acidului gras sau a unui ester etilic al acidului gras, în funcție de faptul dacă trigliceridele reacționează cu metanol sau etanol. Aceste produse sunt numite biodiesel de prima generație. Denumirea comună pentru biodiesel se referă la originea uleiului natural.

Combustibilul pentru motor produs din ulei de rapiță printr-un proces de esterificare cu metanol se numește ester de rapiță, prescurtat RME. Datorită stabilității sale de depozitare nesatisfăcătoare și a altor câteva proprietăți nefavorabile, biodieselul RME este utilizat în principal ca componentă de amestecare pentru motorina.

În cazul uleiului vegetal hidrogenat, nu există un consens cu privire la faptul dacă acesta ar trebui considerat ca un propulsor din prima sau a doua generație. Hidrogenarea la presiune și temperatură ridicată transformă compușii care alcătuiesc uleiul vegetal. Uleiul vegetal hidrogenat poate fi utilizat fără restricții pentru funcționarea motoarelor diesel moderne, dar cerințele mari de investiții ale echipamentelor de producție ar trebui menționate ca dezavantaj.

A doua generație de biodiesel

În producția de biocombustibili de a doua generație, întreaga masă de biomasă - și nu doar semințele - este utilizată folosind procese tehnologice mai scumpe. În acest fel, terenurile agricole semnificativ mai mici trebuie cultivate pentru a produce aceeași cantitate de biocombustibili.

A doua generație de biodiesel este așa-numitul BTL (Biomasa la lichid) are proprietăți fizice și motorii excelente ale motorinei. Are caracteristicile biodieselului de primă generație, dar și caracteristici fizice și motor semnificativ mai bune decât motorina convențională. Acestea sunt preparate prin sinteza Fischer-Tropsch. Funcționează deja de ex. În Finlanda, Germania, există plante care produc propulsori BTL în scopuri comerciale.

Ar trebui menționat bio-dimetil eter (Bio-DME) motor propulsor, care este excelent pentru funcționarea motoarelor diesel pe lângă motorul Otto. Dintre eterii produși din materii prime biologice, combustibilul promițător al motorului este produs de deshidratarea catalitică a metanolului sau, ca și bioetanolul, de reacția catalitică a gazelor de sinteză din biomasă.

Eterul bio-dimetilic este gazos la temperatura și presiunea ambiantă, dar se lichefiază la 5 bari. În acest sens, este similar cu GPL și poate fi utilizat în mod similar. În Europa, în 2008 a fost lansat un proiect Bio-DME la scară largă.

Figura 2 Schimbări cantitative în producția mondială de biodiesel (Sursa: www.indexmundi.com/energy/)

Volumul producției de biodiesel

În ultimul deceniu, s-au pus mari speranțe asupra producției și utilizării biocombustibililor primari, cum ar fi biodieselul. Utilizarea biocombustibililor pentru a emite gaze cu efect de seră este benefică. În ceea ce privește emisiile locale de poluanți atmosferici, efectul nu mai este atât de clar. Emisiile de oxizi de azot și compuși organici volatili (non-metanici) cresc sau pot crește, în timp ce emisiile de monoxid de carbon și solide sunt semnificativ reduse.

Acum a devenit clar că numai biocombustibilii primari nu sunt alternative la benzină și motorină. Cultivarea culturilor agricole pentru producerea de biocombustibili primari necesită o suprafață de producție foarte mare. Plantațiile cu energie palmieră în urma defrișării pădurilor tropicale conduc la un dezastru ecologic. Utilizarea culturilor alimentare determină creșterea prețurilor la alimente. Ca urmare sau în ciuda tuturor acestor lucruri, producția mondială de biodiesel este în creștere, a se vedea Figura 2.

Figura 3 Materii prime pentru producția mondială de biodiesel în 2012 (mii de tone) (Sursa: http://hdl.handle.net/2437/171885)

Diferite uleiuri vegetale sunt utilizate în țările lumii pentru a produce biodiesel. Cantitatea de materii prime utilizate pentru producția de biodiesel în lume în 2012, potrivit F.O. Pe baza înregistrărilor lui Licht, Figura 3 ilustrează acest lucru. Uleiul de soia și de rapiță reprezintă cea mai mare pondere din cele 20.350.000 de tone de materie primă, reprezentând aproximativ 65% din total.

Figura 4 Volumul producției de biodiesel în Ungaria (Sursa: www.indexmundi.com/energy/)

Capacitatea de producție internă de biodiesel este de 180 de mii de tone pe an. Cea mai mare fabrică capabilă să producă 150.000 de tone de biodiesel pe an în Komárom este deținută de Rossi Biofuel Zrt., În care MOL Group deține o participație de 25%. Figura 4 prezintă modificările cantitative ale producției de biodiesel în Ungaria.

Uleiurile de bază nu sunt de obicei esterificate singure, ci amestecate. În Ungaria, rata generală de procesare era 70% ulei de rapiță și 30% ulei de prăjit. Între timp, producătorii se străduiesc să utilizeze un raport de 35% ulei de rapiță, 35% ulei de floarea soarelui și 30% ulei de prăjit folosit, care încă îndeplinește cerințele EN 14214: 2008, pentru a realiza un cost de producție semnificativ mai mic.

De obicei, 1 tonă de ulei de bază produce 970 kg de biodiesel și 160 kg de fază glicerină (60% glicerol, 10% metanol, 4-5% acid gras liber) (excesul este metanol adăugat la producție). Prăjiturile presate rămase după extrudarea semințelor de plante sunt utilizate pentru a face hrană pentru animale de companie, iar glicerina poate fi vândută în scopuri farmaceutice. Biodieselul intern este utilizat ca component al amestecului de motorină MOL, până la maximum 7% (v/v).

Figura 5 Distribuția punctului de fierbere a esterului metilic al motorinei și rapiței (Sursa: Stuart Johnson, Biroul de inginerie și mediu Volkswagen Group of America)

Utilizarea cu motor a biodieselului din prima generație

Esterul de rapiță din prima generație (RME) este inferior motorinei convenționale în mai multe proprietăți. Puterea unui motor biodiesel de primă generație este mai mică. Se comportă nefavorabil la temperaturi ambiante scăzute, deci sunt de așteptat dificultăți de pornire la rece. Stabilitatea sa la oxidare este mai slabă, biodieselul oxidabil provoacă coroziunea elementelor sistemului de alimentare cu combustibil, provocând depuneri pe carburatoare. Este semnificativ mai vulnerabil la infecția bacteriană și poate fi păstrat pentru o perioadă limitată de timp. Poate absorbi cantități semnificative de apă, iar biodieselul pe bază de apă este un focar pentru bacterii. Biodieselul infectat este foarte coroziv și provoacă înfundarea rapidă a filtrelor de combustibil. Prin urmare, sistemele de alimentare cu combustibil proiectate pentru biodiesel care nu aparține primei generații nu sunt, prin urmare, adecvate pentru funcționarea biodieselului pur.

Examinând distribuția punctului de fierbere a motorinei convenționale și a biodieselului de primă generație (Figura 5), se poate observa că punctul de fierbere inițial al biodieselului de primă generație pe bază de rapiță este ridicat, intervalul său de punct de fierbere este semnificativ mai restrâns decât cel al motorinei convenționale .

Figura 6. Depozitele și uzura unui motor diesel experimental care utilizează combustibil ester de rapiță (Sursa: Stuart Johnson, Biroul de inginerie și mediu, Grupul Volkswagen din America)

Diferența de punct de fierbere afectează și procesul de ardere, cu depuneri puternice pe piston și în zona inelului (Fig. 6). Biodieselul se aprinde mai târziu și arde într-un timp scurt. Arderea rapidă mărește temperatura finală de ardere și presiunea finală. Temperatura ridicată a combustiei finale are ca rezultat formarea mai multor oxizi de azot. Datorită punctului de fierbere ridicat, biodieselul care intră în uleiul de motor nu scapă, nu se acumulează și nu diluează uleiul de lubrifiere a motorului. Uleiul de motor contaminat cu biodiesel nu formează o peliculă de lubrifiant suficient de groasă pe căptușeala cilindrului, astfel încât uzura motorului este accelerată (figura dreaptă din Figura 6).

Figura 7 Funcționarea injectorului cu a) propulsor rece B100; b) cu propulsor B100 preîncălzit

Carburatoarele cu motor diesel rece nu funcționează conform destinației pentru RME pur, așa că propulsorul preîncălzit trebuie utilizat la pornire (Figura 7). Dificultatea atomizării biodieselului duce, de asemenea, la arderea insuficientă a motorului, care provoacă depuneri de funingine pe vârful injectorului și peretele camerei de ardere în timpul funcționării prelungite.

Deoarece proprietățile motorului biodieselului de primă generație sunt nefavorabile, acesta nu poate fi utilizat doar pentru motoarele diesel existente. Când este amestecat cu motorină, 5-7% din combustibilul biodiesel nu reprezintă o problemă operațională.

Noile motoare diesel pentru vehicule comerciale și tractoare diesel de astăzi, dacă sunt aprobate de producător, pot fi, de asemenea, funcționate în mod fiabil cu biodiesel B20 (20% biodiesel și 80% motorină diesel), respectând în același timp specificațiile din fabrică pentru calitatea uleiului de lubrifiere a motorului și timpul de schimbare. Producătorii de motoare diesel fac în mod constant îmbunătățiri pentru a utiliza B100 de primă generație (100% biodiesel) și ulei vegetal pur. Biodieselul B20 și B100 nu este disponibil la stațiile de alimentare cu drumuri din Ungaria.

Producția maghiară de biodiesel pe bază de esteri din prima generație de rapiță (aproximativ 180 kt/an) este utilizată pentru a amesteca 5% cu motorina internă și, în al doilea rând, pentru a opera motoare diesel pentru vehicule comerciale și agricole concepute în acest scop. Cerințele de calitate pentru biocombustibili sunt stabilite prin reglementări. De asemenea, a stabilit în reglementări documentația privind producția și utilizarea durabilă a biocombustibililor.

La 17 octombrie 2012, Comisia Europeană a publicat o propunere care vizează limitarea proporției de terenuri convertite în biocombustibili la nivel global și utilizarea mai bună a beneficiilor climatice ale biocombustibililor în UE. În loc de obiectivul de 10% pentru 2020 stabilit în 2007, ponderea biocombustibililor primari în combustibilii de transport este acum limitată la 5%.

Dr. Vilmos Varga
Universitatea Szent Istvan
Facultatea de Inginerie Mecanică, Gödöllő

Literatura folosită
Aguilárné Vass Erzsébet- Kisdeák Lajos: Prelegere intitulată Incertitudini în determinarea contaminării cu biodiesel în uleiurile pentru motoare diesel. XXIV. Conferința internațională de întreținere, Veszprém, 4-5 iunie 2012.