Alternativní paliva mohou zachránit spalovací motory

Na poli alternativních paliv jsou benzínové motory s nepřímým vstřikem paliva oproti benzínovým motorům s přímým vstřikem paliva a motorům dieselovým v jednoznačné výhodě. Už jen z principu, že benzínový motor (s karburací a později s nepřímým vstřikováním) byl ve svých počátcích motor plynový a ve své podstatě se tedy jedná o plynový motor, upravený pro provoz na benzín.

Benzínové motory s přímým vstřikem paliva už fungují téměř na stejném principu, jako motory dieselové, tj. nenasávají připravenou palivovou směs, ale čistý vzduch, do něhož je vstříknuté palivo. Postup spalování je tedy velmi podobný dieselovému motoru, jen s tím rozdílem, že k zapálení vstříknutého paliva je potřeba zapalovací svíčka, protože benzín se na rozdíl od nafty sám nevznítí.

Benzínové motory s přímým vstřikem paliva mají vyšší účinnost a lepší průběh točivého momentu. Přestavba na alternativní palivo LPG je však složitější, a alternativním palivem v těchto motorech nelze konvenční palivo, v tomto případě benzín, zcela nahradit. Benzínový motor s přímým vstřikem paliva funguje při použití alternativního paliva LPG jako motor duální, spalující obě paliva, benzín i LPG najednou, v poměru zhruba 85 % LPG a 15 % benzín. Záleží na stylu jízdy. V přepočtu na litry to u motoru se spotřebou 7,5 l/100 km dělá cca 1,1 – 1,3 l benzínu a 6,4 – 6,2 l LPG na 100 ujetých km.

U benzínových motorů s nepřímým vstřikem paliva lze konvenční palivo, vyjma studeného startu, nahradit zcela. Tyto motory dokážou spalovat LPG ze 100 %. Což je při využití alternativních paliv jejich nesporná výhoda.

Jiné alternativní palivo CNG (zemní plyn) lze použít i za studena, to znamená, že vozidlo na CNG je možné startovat přímo na plyn a konvenční palivo není vůbec potřeba. Nicméně přestavba na CNG je náročnější než přestavba na LPG. Tady už se spíše vyplatí pořízení vozu s tovární úpravou na CNG.

Po úpravách benzínových motorů tedy můžeme spalovat oboje. Benzín i plyn. A dokonce si můžete vybrat, jestli stlačený zemní plyn (CNG), nebo zkapalněný ropný plyn (LPG). Obě paliva jsou, co se týče spalovacích emisí ekologicky velmi přijatelná, rozhoduje však i jejich cena, která je v současné době jasně na straně LPG.

LPG (Liquified Petroleum Gas) zkapalněný ropný plyn, nebo chcete – li směs propan – butanu, nebo v poslední době už i téměř čistý propan, představuje jednoznačně nejrozšířenější variantu alternativního pohonu. Jednak kvůli ceně, kdy je provoz na LPG nákladově zhruba poloviční, než při používání konvenčního paliva a také proto, že spalování LPG probíhá bez kouře a sazí (pevných částic), na zapalovacích svíčkách, pístech a ventilech se neusazuje karbon a výfukové plyny po spálení LPG obsahují mnohem menší procento CO2. Úspornější provoz se projeví i v možném delším intervalu výměny motorového oleje, protože při provozu na LPG se motorový olej neznehodnocuje tak rychle, jako při provozu na konvenční paliva. LPG má oktanové číslo vyšší než 100, uvádí se až 110 oktanů, takže při použití v moderních benzínových motorech pracujícími s vyššími kompresními poměry nedochází k žádným samozápalům.

Pro zajímavost: Přídavek „ropný“ je u LPG sice zavedeným pojmem, protože vzniká při rafinaci ropy frakčním zkapalňováním, jako vedlejší produkt. Ale podstatnější je, že ho takto v Evropě vzniká jen cca 40 %. Zbylých 60 % LPG vyrobeného v Evropě pochází z rafinace zemního plynu v terminálech v Severním moři, ze kterého se před jeho distribucí do rozvodné sítě vymražuje.

BioLPG představuje další vývojový stupeň tohoto paliva. Zde už je přívlastek „ropný“ zcela bezpředmětný. Jedná se o běžnou směs propan – butanu, stejně jako u klasického LPG, ale bioLPG se vyrábí z organického materiálu, v současné době vzniká hlavně jako vedlejší produkt při hydrogenaci rostlinných olejů HVO (Hydrotreated Vegetable Oil), nebo při hydrogenaci upotřebených kuchyňských olejů a odpadních tuků HEFA (Hydrotreated Esters and Fatty Acids). A v dohledné době bude možné bioLPG vyrábět z celulózy, tj. z běžného dřevěného odpadu a dost možná, že se dočkáme i technologie, která umožní výrobu bioLPG i ze smíšeného odpadu. BioLPG, dalo by se napsat spíš BioLHG (Liquified HVO Gas, nebo Liquified HEFA Gas), či rLG (renewable Liquified Gas) je s běžným „ropným“ LPG plně mísitelný a u čerpacích LPG stanic nepoznáte, jestli spalujete LPG, nebo BioLPG.

CNG (Compressed Natural Gas) stlačený zemní plyn je sice dražší alternativou, ale pokud chcete prodloužit životnost motoru, zvýšit jízdní komfort, pak je pro benzínové motory i CNG dobrou volbou. Možná také proto, že právě stlačený zemní plyn (CNG) je ve své podstatě ono historické palivo, od kterého dopravní průmysl po druhé světové válce odešel a dnes toto palivo znovu objevuje.

Samotný zemní plyn je v podstatě směs 70–90 % metanu, do 20 % směsi etanu, propanu a butanu. Aby se mohl ve spalovacích motorech použít, kde se jako palivo používá metan, musí se nejprve od ostatních plynů vyčistit.

Spalování zemního plynu, resp. metanu, s sebou nese opět velmi malé, téměř mizivé procento CO2 čili toto palivo bez problémů plní a bude plnit emisní limity pro CO2 při jeho spalování. Benzínové motory se podobně jako při používání LPG přestaví přidáním palivového systému na CNG. Oktanové číslo se uvádí 110–120 oktanů, některé zdroje uvádí oktanové číslo až 130.

Ale protože je CNG dražší variantou než LPG, a to jak přestavbou, tak i provozem, je úspora na palivu, popř. na silniční dani markantní buď při opravdu velkém kilometrovém nájezdu, nebo při použití ve větších vozových parcích. Proto se provoz na CNG používá spíše u dieselových motorů jako duální palivo, nebo u větších vozových flotil. U osobních vozidel je cenově výhodnější pořízení vozu s továrně zabudovaným systémem pro pohon na CNG.

U dieselového motoru je však proces zpracování paliva jiný než u benzínových motorů. Z tohoto důvodu tedy nelze naftu, jako původní palivo z procesu zcela vyloučit a CNG se používá jako „druhé“ palivo, podobně jako benzínový motor s přímým vstřikem paliva v kombinaci s LPG. Dieselův motor tak funguje s oběma palivy současně a dokáže tímto způsobem v provozu nahradit 50 - 70 % nafty a zvýšit výkon motoru až o 30 %, což se nepochybně projeví nejen na úspoře za palivo, ale i v mnohem lepším emisním výsledku téměř bez pevných částic, protože spalováním plynu dochází k mnohem lepšímu prohoření spalované směsi.

Duální provoz dieselových motorů na naftu a CNG současně umožňuje technologie Dual Fuel Diesel CNG, nebo Fuel Fusion Diesel CNG. Velká výhoda duálního pohonu dieselového motoru je v tom, že na samotném motoru nejsou potřeba žádné úpravy, a tato technologie už také umožňuje vybírat, jestli druhé palivo bude konstrukčně na CNG, BioCNG, nebo konstrukčně na LPG, BioLPG, nebo na rDME

BioCNG stejně jako BioLPG představuje další vývojový stupeň. Jedná se stejně jako v případě BioLPG o obnovitelný zdroj, složením a způsobem použití v podstatě totožný s fosilním CNG. BioCNG se získává z odpadů, které jsou biologickým zdrojem metanu (hnůj, kejda, případně jiná organická biomasa) rozkladem této hmoty bez přístupu vzduchu. K výrobě BioCNG se využívají speciální bioplynové stanice, které produkují bioplyn, ale i čističky odpadních vod, kde se může získávat v podobě kalového plynu a tento plyn vzniká i v tělesech komunálních skládek, jako skládkový plyn.

Pod názvem bioplyn si tedy můžeme představit i kalový, nebo skládkový plyn. Samotný takto vzniklý bioplyn obsahuje kromě použitelného metanu ještě asi 30–40 % CO2, proto je potřeba jej pro použití ve spalovacím procesu vyčistit na plyn, obsahující 95 % metanu a jen asi cca 5 % CO2. A to už je téměř stoprocentně čistý biometan. Přesnější označení pro BioCNG je CBG (Compressed Bio Gas), nebo rCG (renewable Compressed Gas).

HVO ((Hydrotreated Vegetable Oil) Jak již bylo popsáno výše, jedná se o palivo získávané hydrogenací rostlinných olejů, či hydrogenací upotřebených rostlinných olejů a odpadních tuků. Toto palivo se používá pro dieselové motory jako příměs do fosilní nafty. V komerčním měřítku se uplatňuje dvoustupňová výroba HVO, kde po hydrogenaci následuje ještě proces izomerace, pro možnost použití tohoto paliva i v zimním období. V některých směrech můžou být vlastnosti HVO po procesu izomerace lepší, než vlastnosti standardní zimní motorové nafty třídy F. HVO má vysoké cetanové číslo, proto obsahuje jen extrémně malé množství aromatických uhlovodíků a snižuje i emise CH, CO, a NOx. HVO se zatím využívá jako přísada do motorové nafty, viz např. Maxxmotion Diesel od ÖMV, kde může tvořit až 30 % celkového objemu. Toto palivo lze použít i jako úplnou 100% náhradu za klasickou motorovou naftu.

Při výrobě HVO vzniká z 1 tuny zpracovávaných rostlinných olejů anebo živočišných tuků také cca 50 kg biopropanu, který se může použít pro pohon vozidel na LPG (LHG, rLG).

HVO představuje biopalivo II generace pro dieselové motory a jeho kvalita je nesrovnatelně vyšší, než u bionafty založené na FAME (Fatty Acid Methyl Esters), označované jako B100.

Obnovitelný (renewable) Dimetyléter (rDME) je jednoduchý, čistě hořící éter, který lze vyrobit podobně jako bioCNG z bioplynu vyčištěného na biometan, který se nejprve pomocí částečné oxidace přemění na směs oxidu uhelnatého a vodíku, na tzv. syntetický plyn, který se dále pomocí nepřímé katalytické syntézy přemění na metanol a jeho dehydratací pomocí katalyzátoru z oxidů křemičitého a hlinitého vznikne rDME. Jako základ pro výrobu rDME se stejně jako v případě bioplynu používá široká škála obnovitelných zdrojů jako jsou např. odpadní vody, čistírenské kaly, energetické zbytky zemědělských plodin, zbytková dřevní hmota, živočišný nebo komunální odpad. Má široké použití, mimo jiné i jako palivo pro spalovací motory, kde je možné jeho přimíchávání do LPG až do hodnoty 20 %, nebo jeho spalování zároveň s naftou, viz. systém Dual Fuel Diesel CNG, nebo Fuel Fusion Diesel CNG, nebo po úpravách vznětových (dieselových) motorů na plynové motory jeho 100% spalování. RDME lze použít i jako palivo do vodíkové palivové články.

RDME je chemicky podobné propan – butanu a stejně jako LPG se snadno přenáší jako kapalina v tlakových nádobách a jeho doprava a skladování je méně náročná, než např. u stlačeného zemního plynu LNG (Liquified Natural Gas). Spalováním rDME lze snížit emise skleníkových plynů až o 85 % a emise pevných částic téměř na nulu.

Nejprve si řekneme něco o skleníkových plynech, jako takových. O jaké plyny se vlastně jedná?

Jsou to hlavně:

- Vodní pára

- Oxid uhličitý CO2

- Metan CH4

- Ozon O3

- Oxid dusný N2O

- Fluorované uhlovodíky (HFC a CFC)

- Fluorid sírový SF6

- Tvrdé a měkké freony (HCFC)

- halony

Přesto, že je vodní pára vedena jako nejhorší skleníkový plyn, molekuly vodní páry jsou v atmosféře zhruba max 9–10 dní a pak mění skupenství na vodu. Proto není životnímu prostředí nebezpečná. Životnímu prostředí a klimatu jsou velmi nebezpečné skleníkové plyny, které se v atmosféře rozptylují dlouhodobě. A to je oxid uhličitý CO2 a metan CH4.

Asi nejčastěji skloňovaným skleníkovým plynem je oxid uhličitý CO2. Proč? Protože vzniká reakcí uhlíku s kyslíkem, při spalování. A jsme zase u emisí spalovacích motorů, kterých je spousta a jejich emise je potřeba nějakým způsobem redukovat.

Další, velmi nebezpečný skleníkový plyn, o kterém se ale zatím příliš nemluví je metan. Není tak skloňovaný jako CO2, ale jeho vliv na klima může být až 120 x horší než vliv CO2.

Zatím se vždy řešily jen emise při spalování. Proto se hledala a hledají různá alternativní paliva, při jejichž spalování vzniká jen minimální procento CO2. Tento vzorec posuzování paliv a vlivu spalovacích motorů na životní prostředí obecně, se nazývá Tank To Wheel (TTW) „z nádrže ke kolům“. Jinými slovy množství emisí, které svým spálením vyprodukuje palivo natankované v nádrži. Z tohoto posuzovacího vzorce se logicky dospělo až k elektromobilům, které nepotřebují spalovací motory, tudíž ani žádná alternativní paliva a žádné emise CO2 při jejich používání, resp. přesněji řečeno při jejich jízdě, nevznikají.

Ale protože ani konvenční, ani alternativní palivo, ani elektřina se sama nevyrobí a vždy je k výrobě paliv, nebo k výrobě elektřiny potřebný i nějaký energetický a logistický proces, přesnější posouzení vlivu paliv spalovacích motorů, ale v tomto případě i elektromobilů obecně na životní prostředí dává metoda Well To Wheel (WTW) „od těžby (získání, výroby) ke kolům“. Tento vzorec posuzuje vliv na životní prostředí celé životnosti paliva od jeho získání až po jeho spálení, resp. celou životnost elektrické energie od její výroby až po elektromotor.

WTW (Well To Wheel) je porovnávací řetězec rozdělený do dvou částí:

1. WTT (Well To Tank) podíl emisí při získávání paliva, nebo při výrobě elektřiny (zdroj), přes cestu od zdroje paliva, nebo elektřiny k místu čerpání paliva, nebo elektřiny (čerpací stanice, dobíjecí stanice), nebo k nádrži (baterii) vozidla.

2. TTW (Tank To Wheel) podíl emisí při používání vozidla, během spalování paliva, nebo čerpání energie z baterií k vytvoření pohonu na kola.

WTW = WTT + TTW

Pro lepší pochopení lze celý porovnávací řetězec popsat tak, že zjišťuje podíl emisí při získávání energie, emise při přenosu energie a emise při využívání energie.

Alternativní paliva mohou velmi výrazně přispět ke snížení emisní zátěže z automobilové dopravy a mohou být i dobrým a pro konečného spotřebitele i výrazně levnějším řešením k bezhlavě protlačované elektromobilitě.