Biodizel

Biodizel je metilni ester maščobnih kislin, ki nastaja pri estrifikaciji trigliceridov rastlinskih olj z metanolom. Zaradi zelo podobnih lastnosti se lahko uporablja kot nadomestilo ali v zmesi s klasičnim dizelskim gorivom. Je gorivo iz obnovljivih virov, kot so rastlinska olja in ţivalske maščobe. Pretvarjanje sončne energije v kemijsko v obliki ogljikovodikov v rastlinah je neskončen cikel. Biodizel je mogoče pridobivati iz surovega ali ţe uporabljenega rastlinskega olja ali ţivalskih maščob. Najvaţnejša surovina za pridobivanje biodizla v evropskih drţavah je oljna repica z 82,82

%, sledi ji sončnica z 12,50 % in ostale surovine, medtem ko se v ZDA in drugje po svetu kot glavna surovina uporablja soja.

Za pridobivanje biodizelskega goriva uporabljajo v Franciji, Italiji pa tudi v ZDA sojino olje, v Maleziji palmino olje, oljna ogrščica pa je ena najobetavnejših oljnic zmerno toplega podnebnega pasu, npr. v Nemčiji, Avstriji, Franciji in tudi v Sloveniji. Na en hektar lahko pridelamo od 3 do 5 ton ogrščičnega semena (Salunkhe, 1992). Pridelovanje oljnic je podrobneje opisano v učbeniku Gospodarjenje v poljedelstvu in vrtnarstvu, objavljenem na internetnem naslovu: http://www.zavod-irc.si/sl/gradiva/.

4.2.3.1 Pridobivanje biodizla

Kemijsko je biodizel zmes metilnih estrov maščobnih kislin, ki nastaja pri reakciji trans-estrifikacije. Olje, ki je kemijsko trigliceril ester, v prisotnosti baze z metanolom preestrimo v metil estre. Tako dobimo z relativno enostavno reakcijo, pri ugodnih pogojih (tlak 1 bar in temperatura 20 °C), velike izkoristke (tudi do 96 %), ki so dodatni motiv za postavljanje tovrstnih proizvodnih procesov.

Vaja

Izračunajte količino električne energije, ki jo dobimo iz bioplina, proizvedenega iz 1 ha koruzne silaţe z vsebnostjo sušine 35 %. Podatke o pridelavi koruze poiščite v učbeniku Gospodarjenje v poljedelstvu in vrtnarstvu (http://www.zavod-irc.si/sl/gradiva/). Bioplin pridelujemo v veliki bioplinarni z nazivno močjo 1 MW. Izračunajte prihranek izpustov CO2

v primerjavi s pridobivanjem električne energije iz fosilnih goriv (podatek o izpustu CO₂ pri proizvodnji iz fosilnih goriv poiščite v poglavju Energija in okolje).

Ţe surovo olje ozimne oljne ogrščice je primerno kot motorno olje, vendar ga zaradi previsoke viskoznosti uporabljamo le kot mešanico s fosilnim dizelskim gorivom. Da pa se mešanju izognemo in ga lahko uporabljamo kot samostojno pogonsko gorivo, ga je treba zaestriti (Arnšek, 2001).

Zaestrenje je postopek, s pomočjo katerega triacilgliceride (sestavine olj in maščob) s pomočjo alkoholov (npr. metanola ali etanola) preoblikujemo v estre. Po zaestritvi dobimo dve ločeni fazi. V spodnji, teţji fazi so glicerol (ima višjo gostoto kot metilni ester in se useda), katalizator, nezreagirano olje, nezreagiran alkohol, nekaj vode in milo. Imenujemo jo glicerolna faza. Zgornjo, laţjo fazo pa sestavljajo metil estri, vsebuje tudi nekaj nezreagiranega metanola, omiljenje in vodo v sledovih. Imenujemo jo esterska faza.

Slika 71: Postopek estrifikacije biodizla Vir: Flag, 1998

Kemijski postopek pridobivanja biodizla je podan v naslednji enačbi:

CH2OCOR1 R 1COOCH3 CH2OH |

CH₂OCOR₂ + 3CH₃OH → R ₂COOCH₃ + CHOH |

CH2OCOR3 R 3COOCH3 CH2OH

lahko na ta način ustvarimo povraten tok metanola v proces. Prečiščen glicerol je uporaben v farmacevtski oziroma kemijski industriji.

Tako nastane gorivo, poimenovano z mednarodno kratico RME (Repseed methyl esther, v nadaljevanju RME), ki je varnejše, ekološko primernejše in ima boljši vţig od standardnega dizelskega goriva. Laboratoriji sintetizirajo metil-estre iz različnih rastlinskih olj, najpogostejši pa so iz oljne ogrščice. Po lastnostih je RME gorivo podobno navadnemu dizelskemu in ga lahko uporabljamo v običajnih motorjih, vendar pa je za popolnejše delovanje potrebno motor prilagoditi novemu gorivu. RME gorivo je bolj korozivno, zato s posebnimi premazi zavarujemo izpostavljene površine v motorju.

Biodizel pripada skupini ogljikovodikovih derivatov srednje dolgih verig (C16 – C18) maščobnih kislin, ki kaţejo strukturne podobnosti z molekulami dizelskega goriva. Gorivo vsebuje do 14 različnih molekul maščobnih kislin, od katerih so odvisne nekatere fizikalno - kemijske lastnosti.

Tako visok deleţ nasičenih struktur (C14 : 0, C16 : 0, C18 : 0) zviša točko zmrzišča, ketansko število, reducira NO_x in povečuje stabilnost goriva. Prisotnost bolj razvejanih struktur (C18 : 2, C18 : 3) pa zniţa točko zmrzišča, ketansko število, zmanjša stabilnost goriva in povečuje NO_x.

Estri, pridobljeni iz rastlinskih olj, so goriva z visoko vsebnostjo kisika (do 10 %), zato so emisije pri zgorevanju zelo nizke. Velik deleţ kisika pa je tudi vzrok, da je energetska vrednost metilnih estrov niţja od navadnega dizla. Višje cetansko število daje gorivu dobre zgorevalne sposobnosti.

Višja vsebnost dušika pa predstavlja teţavo pri onesnaţevanju. Višja temperatura tališča in višja točka motnosti povzročata teţave pri uporabi v hladnem vremenu.

V metilne estre lahko predelamo tudi uporabljeno kuhinjsko olje različnih oljnic. Ko se porabljeno olje zbere, se ga pogreje na določeno temperaturo (do 80 °C), iz olja se izločijo voda, ostanki hrane in ostali trdni delci. Pregretje je edini proces, ki ga je treba izvesti pred zaestrenjem oziroma mešanjem olja z alkoholom.

4.2.3.2 Lastnosti biodizla

Biodizel vsebuje pribliţno 37.000 kJ/kg energije, kar pomeni v primerjavi s fosilnim dizelskim gorivom, ki vsebuje 42.000 kJ/kg energije, pribliţno 12 % manjši energijski izkupiček. Manjša ogljikovega monoksida kot dizelsko gorivo. Samo zgorevanje biodizla zagotavlja za 90 % manjšo količino nezgorelih ogljikovodikov in za 7590 % zmanjšanje aromatičnih ogljikovodikov in ogljikovega monoksida v primerjavi s fosilno nafto. Njihova emisijska vrednost omogoča idealno uporabo v pomorstvu, nacionalnih parkih, jezerih in gozdovih ter v onesnaţenih mestih, ker se izpuh biološko razgradi v pičlih dvanajstih dneh (99,6 %) (Salunkhe, 1992).

Vaja

S pomočjo podatkov o pridelavi oljnic v učbeniku Gospodarjenje v poljedelstvu in vrtnarstvu (objavljen na internetnem naslovu: http://www.zavod-irc.si/sl/gradiva/.) ugotovite količino biodizla, ki ga lahko pridobimo na enem hektaru kmetijskih zemljišč.

Nagnjenost RME goriva k izgorevanju je višja kot pri 2D (plinsko olje). Praktično gledano je najprimernejše gorivo tisto, ki ima najvišjo seţigno vrednost na enoto prostornine oziroma vrednost, ki je pribliţno enaka ΔHs (specifična molska kurilna vrednost goriv) za 2D. ΔHs rastlinskih olj raste z daljšanjem verige in povečevanjem nenasičenosti maščobnih kislin, ki sestavljajo trigliceride. ΔHs za rastlinska olja je najniţja pri kokosovem in najvišja pri ogrščičnem olju.

V nasprotju z bencinskimi motorji se mora gorivo s kompresijskim vţigom vţgati v vroči zračni masi samo, brez pomoči električne iskre. Ko gredo "kapljice" goriva skozi zrak, vsrkavajo toploto, ob dovolj visoki temperaturi pa izhlapijo in se vţgejo. Dolga zapoznitev med injiciranjem in vţigom goriva povzroči nespremenljivo visoko naraščanje pritiska (dieselsko klenkanje – trdi tek), kar je posledica prevelike vsebnosti goriva za izgorevanje v komori v trenutku vţiga. Tudi prehiter vţig goriva onemogoči pravilno mešanje in izgorevanje v masi, ki je razpršena v komori. Dobra prostorska porazdelitev goriva ob pravem času pa omogoča miren tek in ekonomično delovanje motorja.

Cetansko število lahko določamo na osnovi zamude vţiga, to pa je čas od trenutka, ko vstopi gorivo v segreti zrak, pa do trenutka, ko se pojavi prvi plamen.

Tabela 23: Cetansko število glede na kakovost in vrsto goriva

Vrsta goriva Cetansko število preglednice je razvidno, da je uporaba RME po oceni plamenišča varnejša od 2D goriva.

Tabela 24: Primerjava plamenišč pri RME in D2 (Martinčič, 1993).

Gorivo Plamenišče (˚C)

RME 83,9

D2 80

Vir: Flag, 1998 Emisije ob izgorevanju biodizla

Celotne emisije ob zgorevanju v motorju niso le posledica zgorevanja goriva, ampak je vir emisij lahko tudi motorno olje. V splošnem načelu velja, da je zniţanje posameznih vrst emisij večje pri

zmanjšanje emisij skupnih ogljikovodikov bistveno večje (npr. 80–90 % zniţanje emisij) pri biodizlu. Pri mešanicah biodizla in običajnega dizelskega goriva pa manjše, vendar še vedno zelo pomembno (npr. 20–30 % zniţanje emisij).

PM – trdni delci

Zmanjšanje emisij je manjše, vendar pomembno. Večja kot je vsebnost kisika v biodizlu, večje je zmanjšanje tovrstnih emisij. Rezultati so ponovno boljši pri uporabi 100 % biodizla.

CO

Zmanjšanje emisij je znova odvisno od vsebnosti kisika v gorivu, popolnejša oksidacija namreč vodi do popolnejšega izgorevanja CO2.

PAH (policiklični aromatski ogljikovodiki)

Aromatske spojine v 100 % biodizlu niso prisotne, zato ni tovrstnih emisij, v mešanicah pa jih je bistveno manj kot pri običajnem dizelskem gorivu.

NOX

So glavni krivci za tvorbo ozona, so pa tudi neke vrste pokazatelj kakovosti notranjega izgorevanja goriva. Prav zaradi višje vsebnosti kisika v biodizlu in popolnejšega izgorevanja goriva v zgorevalni komori se povečajo emisije NO_X (za okoli 13 %). Emisije je moč zmanjšati s spremembo kompresijskega razmerja v zgorevalni komori, vendar vsak popravek oz. zniţanje emisij NOX

povzroči zvišanje ostalih emisij – emisij ogljikovodikov, PM in CO.

CO₂

CO2, ki se tvori ob popolnem izgorevanju, se nato porabi za rast rastlin. Energijska bilanca CO2 je pozitivna (kolikor se ga tvori pri zgorevanju goriva, toliko se ga porabi za rastline), nanjo pa vplivajo tudi metode obdelovanja sejanih površin. Pri proizvodnji biodizla iz drugih virov pa energetska bilanca ni tako ugodna (Hans, 1998)).

Uporaba biodizla

Biodizel je netoksičen, v okolju biorazgradljiv in ne povečuje emisij. Lahko ga proizvajamo iz obnovljivih virov (uporabljeno jedilno olje, ţivalska maščoba), moţnost uporabe v obstoječih dizelskih motorjih, kjer je podano mnenje proizvajalca o uporabi biodizla, ima visoko cetansko število in dobre mazalne lastnosti in manjše tveganje onesnaţevanja okolja pri transportu in manipulaciji.