Repce felhasználása dízelmotorban

A belsőégésű motorok megjelenése kezdetén már alkalmaztak természetes anyagú hajtóanyagokat. Rudolf Diesel kezdetben motorját – mivel a szénporalapú üzemeltetés nem vált be –, mogyoróolajjal hajtotta. A kőolajból nyert benzin és dízelolaj kiváló tulajdonságai és alacsony ára hamar kiszorította az egyéb tüzelőanyagok felhasználást a belsőégésű motortechnikában. A kőolajkészletek viszont egy időn belül el fognak fogyni, ezért más hajtóanyagok felé fordul az érdeklődés.

A világon ma körülbelül 1.000.000.000 (egy milliárd) autó van és évente 50-70 millióval növekszik számuk. 2035-re meghaladja a két milliárdot a világ autóállománya. A traktorok darabszáma közel két nagyságrenddel kevesebb, megközelítőleg 15 millió, és évente kétmillió új traktort helyeznek üzembe a világon. A magyar traktorállomány megközelítően 120 ezer darabos.

1. ábra A kőolaj kitermelés mennyiségének története és jövője (Forrás: Evolution, SKF magazin 2013. 3.sz. 10.p)

Meddig lesz kőolaj?

Köztudott, hogy a mai gépjárművek hajtóanyagát szolgáltató kőolaj előbb-utóbb el fog fogyni. A kőolaj-kitermelés mennyisége nem fog tudni lépést tartani a gépjárművek számának növekedésével. A világ napi kitermelt kőolajmennyiségének történetét és várható alakulásának becslését az 1. ábra szemlélteti. Ennek alapján a föld mélyéből kibányászható hagyományos nyersolaj napi mennyiségének csúcsértéke néhány éven belül tetőzni fog. A nem hagyományos olajforrások (pl. olajpala) lehetséges kitermelésével megközelítőleg száz évig jelentős mennyiségű nyersolaj áll az emberiség rendelkezésére. A gépjárművek hajtására szolgáló benzin és gázolaj helyett fokozatosan alternatív hajtóanyagokra, illetve belsőégésű motorok használata helyett alternatív hajtás (pl. villamos) rendszerekre kell áttérni. A megújuló növényi eredetű hajtóanyagok előállítása és felhasználása is megkezdődött.

A traktorok, mezőgazdasági mobilgépek még hosszú ideig belsőégésű motorokkal fognak üzemelni. A gázolaj árának fokozatos növekedése elősegíti az alternatív hajtóanyagok bevezetését a mezőgazdasági technikába.

Jön a biodízel

Az alternatív motorhajtó anyagok azon körét, amelyek biológiai anyagokból készülnek bio-hajtóanyagoknak nevezik. Kézenfekvőnek látszik, hogy a nővényi olajokat fel lehet használni dízelmotorok hajtására. Az alapanyagok változatosak lehetnek, például repceolaj, szójaolaj, napraforgóolaj, pálmaolaj, stb. Az előbbiek mellett szóba jöhet a használt sütőolaj és az állati eredetű olajok, például a halolaj is. Az említett olajok sajnos a meglévő dízelmotorokhoz közvetlenül nem használhatók fel, a motorban égésük tökéletlen, és a lerakódások miatt a dugattyúk rövid üzemeltetés során beragadnak. Bizonyos feldolgozás után a nővényi olajok felhasználhatók a mai dízelmotorban. A feldolgozott nővényi olajokat biodízelnek nevezik. A leggyakrabban használt rendszerezés szerint vannak első- és másodlagos biodízel hajtóanyagok.

Első generációs biodízel

A növényi olajok (trigliceridek) észterezésével előállított dízelmotor-hajtóanyagot elsőgenerációs biodízelnek nevezik. Az észterezést metanollal vagy etanollal végzik, a művelethez folyékony katalizátort, leggyakrabban kálium-hidroxidot használnak. A folyamat során melléktermékként szabadglicerin keletkezik, amelyet elválasztanak. Természetesen a katalizátort is el kell távolítani.

Az észterezés végeredményeként zsírsav-metil-észter keletkezik, vagy zsírsav-etil-észter keletkezik attól függően, hogy a triglicerid metanollal, vagy etanollal reagált. Ezeket a termékeket nevezik elsőgenerációs biodízeleknek. A biodízelek köznapi elnevezése utal arra, hogy milyen eredetű természetes olajból készültek.

A repceolajból metanol felhasználásával észterezési folyamattal gyártott motorhajtóanyag neve repcemetilészter, rövidítése RME. Az RME-biodízel a nem kielégítő tárolási stabilitása és több, további kedvezőtlen tulajdonsága miatt elsősorban keverő komponensként használatos a kőolajból nyert dízelgázolajhoz.

Hidrogénezett növényi olaj esetében nincs egyetértés abban, hogy első-, vagy másodgenerációs hajtóanyagnak kell-e tekinteni. A magas nyomáson és hőmérsékleten végzett hidrogénezés során a növényi olajat alkotó vegyületek átalakulnak. A hidrogénezett növényi olaj korlátozások nélkül használható korszerű dízelmotorok működtetéséhez, de hátrányként meg kell említeni a gyártóberendezés magas beruházási igényét.

Második generációs biodízel

A második generációs bio-hajtóanyagok gyártása esetén a biomassza teljes tömegét – tehát nem csupán a magvakat – hasznosítják drágább technológiai folyamatok segítségével. Ilyen módon ugyanannyi biohajtóanyag előállításához lényegesen kisebb mezőgazdasági területet kell művelni.

Második generációs biodízel az ún. BTL (Biomass to Liquid) a gázolaj fizikai és motorikus tulajdonságai kiválóak. Az elsőgenerációs biodízel jellemzőit, de a hagyományos gázolajnál is lényegesen jobb fizikai és motorikus jellemzőkkel rendelkezik. Fischer-Tropsch szintézis alapján állítják elő. Már működnek pl. Finnországban, Németországban olyan üzemek, amelyek kereskedelmi célokra gyártanak BTL hajtóanyagot.

Meg kell említeni a bio-dimetil-éter (Bio-DME) motorhajtóanyagot, amely az Otto-motor mellett dízelmotorok üzemeltetéséhez is kiváló. A biológiai alapanyagokból gyártott éterek között ígéretesnek tűnő motorhajtóanyagot a metanol katalitikus dehidrációjával, vagy a bioetanolhoz hasonlóan biomasszából nyert szintézisgáz katalitikus reakciója útján állítják elő.

A bio-dimetil-éter környezeti hőmérsékleten és nyomáson gáz halmazállapotú, de 5 bar nyomáson cseppfolyósodik. Ilyen értelemben az LPG-hez hasonlít, és ehhez hasonlóan használható fel. Európában 2008-ban nagyszabású Bio-DME projekt indult.

2. ábra A világ biodízel gyártásának mennyiségi változásai (Forrás: www.indexmundi.com/energy/)

Biodízel előállításának mennyisége

Az előző évtizedben nagy reményeket fűztek az elsődleges biohajtóanyagok, így a biodízel előállításához és alkalmazásához. A biohajtóanyagok használata az üvegházhatású gázok kibocsátására kedvező. A helyi légszennyezést okozó károsanyag-kibocsátások tekintetében a hatás már nem ilyen egyértelmű. A nitrogén-oxidok és az illékony (nem metán) szerves vegyületek kibocsátása nő, vagy nőhet, míg a szénmonoxid, és a szilárdanyag-kibocsátás jelentősen csökken.

Mostanra világossá vált, hogy az elsődleges biohajtóanyagok egyedül nem alternatív megoldásai a benzinnek és a gázolajnak. Az elsődleges biohajtóanyagok előállításához szükséges mezőgazdasági termények termesztéséhez igen nagy termőterület szükséges. Az esőerdők kiirtását követő pálmaerő-telepítések környezeti katasztrófához vezetnek. Az élelmezésre szolgáló termények felhasználása élelmiszerár-emelkedést okoz. Mindezek hatására vagy ellenére a világ biodízel-előállításának mennyisége növekvő jelleget mutat, lásd a 2. ábrát.

3. ábra A világ biodízel gyártásának alapanyagai 2012-ben (ezer tonna) (Forrás: http://hdl.handle.net/2437/171885)

A biodízel előállításához a világ országaiban különböző növényi olajokat használnak. A világ biodízel-gyártásához felhasznált alapanyagainak mennyiségét 2012-ben, az F.O. Licht nyilvántartása alapján, a 3. ábra szemlélteti. Az összesen 20 350 ezer tonna alapanyag legnagyobb mennyiségét a szója-, illetve a repceolaj teszi ki, ez a két anyag adja a teljes mennyiség mintegy 65%-át.

4. ábra Magyarország biodízel gyártásának mennyisége (Forrás: www.indexmundi.com/energy/)

A hazai biodízelgyártás kapacitása évi 180 ezer tonnára tehető. A legnagyobb, évi 150 ezer tonna biodízel előállítására képes üzem Komáromban, a Rossi Biofuel Zrt. tulajdonában van, amelyben a MOL-csoport 25% részvényrészesedést birtokol. A magyarországi biodízelgyártás mennyiségi változásait a 4. ábra mutatja.

Az alapolajokat jellemzően nem önmagukban, hanem keverten észterezik. Hazánkban a korábban 70% repceolaj, 30% használt sütőzsiradék volt az általános feldolgozási arány. Időközben az EN 14214:2008 szabvány előírásait még teljesítő 35% repceolaj, 35% napraforgóolaj és 30% használt sütőzsiradék arány alkalmazására törekednek a gyártok, a lényegesen kedvezőbb gyártási önköltség elérése miatt.

Jellemzően 1 tonna alapolajból 970 kg biodízel és 160 kg glicerines fázis (60% glicerin, 10% metanol, 4-5% szabad zsírsav) keletkezik (a többletet a gyártáshoz hozzáadott metanol jelenti). A növényi magvak kisajtolása után maradt préspogácsákat állateledel előállításához hasznosítják, a glicerin gyógyszeripari célokra értékesíthető. A hazai előállítású biodízel a MOL által előállított dízelgázolaj keverék komponenseként kerül felhasználásra, legfeljebb 7 % (v/v) arányban.

5.ábra A gázolaj és a repcemetilészter forrásponteloszlása (Forrás: Stuart Johnson, Engineering and Environmental Office Volkswagen Group of America)

Elsőgenerációs biodízel motorikus felhasználása

Az elsőgenerációs repcemetilészter (RME) biodízel több tulajdonságában alulmarad a hagyományos gázolajjal szemben. Az elsőgenerációs biodízellel üzemelő motor teljesítménye kisebb. Alacsony környezeti hőmérsékleten kedvezőtlenül viselkedik, ezért hidegindítási nehézségekre kell számítani. Rosszabb az oxidációs stabilitása, az oxidálódó biodízel a hajtóanyag-ellátó rendszer elemeinek korrózióját váltja ki, lerakódásokat okoz a porlasztókon. Lényegesen védtelenebb bakteriális fertőzéssel szemben, korlátozott ideig tárolható. Jelentős mennyiségű víz felvételére képes, a víztartalmú biodízel pedig a baktériumok melegágya. A fertőzött biodízel erősen korrozív hatású, és a hajtóanyag szűrők gyors eltömődését váltja ki. A nem elsőgenerációs biodízelhez tervezett hajtóanyag-ellátó rendszerek tehát nem alkalmasak tiszta biodízel üzemelésre.

A hagyományos gázolaj és az elsőgenerációs biodízel forráspont-eloszlását vizsgálva (5. ábra) látható, hogy a repcealapú elsőgenerációs biodízel kezdő forrpontja magas, forráspont-tartománya lényegesen szűkebb, mint a hagyományos gázolajé.

6. ábra Lerakodások és kopások kísérleti dízelmotorban repcemetilészter hajtóanyag alkalmazása mellett (Forrás: Stuart Johnson, Engineering and Environmental Office Volkswagen Group of America)

A forráspont-különbség hatással van az égésfolyamatra is, a dugattyún, a gyűrűzónában erős lerakodások keletkeznek (6. ábra). A biodízel később gyullad, és rövid idő alatt ég el. A gyors égés növeli az égési véghőmérsékletet és végnyomást. A magas égési véghőmérséklet több nitrogén-oxid keletkezését eredményezi. A magas kezdőforráspont következtében a motorolajba bejutó biodízel nem távozik el, felhalmozódik, és hígítja a motorkenőolajat. A biodízellel szennyezett motorolaj nem képez elegendően vastag kenőanyagfilmet a hengerhüvelyen, így a motor kopása felgyorsul (6. ábra jobboldali képe).

7. ábra A befecskendező porlasztó működése a) hideg B100 hajtóanyaggal; b) előmelegített B100 hajtóanyaggal

A hideg dízelmotor porlasztói tiszta RME esetében nem működnek rendeltetésszerűen, ezért induláskor előmelegített hajtóanyagot szükséges használni (7. ábra). A biodízel porlasztási nehézsége elégtelen motorikus égéshez is vezet, amely hosszabb üzemeltetés során koromlerakódást okoz a porlasztócsúcson és az égéstér falán.

Miután az elsőgenerációs biodízel motorikus tulajdonságai kedvezőtlenek, ezért a meglévő dízelmotorokhoz tisztán nem használható. A dízelgázolajhoz keverve 5-7% arányban nem jelent üzemeltetési problémát a biodízel hajtóanyag.

A mai új konstrukciójú közúti haszongépjármű és traktordízelmotorok – ha a gyártó engedélyezi – B20 jelű (20% biodízel- és 80% dízelgázolaj-keverék) biodízellel is megbízhatóan üzemeltethetők, a motorkenőolaj minőségére és csereidejére vonatkozó gyári előírások betartása mellett. A dízelmotorgyártók folyamatosa hajtanak végre fejlesztéseket az elsőgenerációs B100 jelű (100% biodízel) és a tiszta nővényi olaj felhasználása érdekében. Hazánkban közúti töltőállomáson B20 és B100 jelű biodízel nem kapható.

Az első generációs repcemetilészter alapú biodízel magyarországi előállítási mennyiségét (kb. 180 kt/év) arra használják, hogy 5%-ban a hazai dízelgázolajhoz bekeverjék, másodsorban pedig, hogy erre tervezett haszongépjármű és mezőgazdasági dízelmotorokat üzemeltessenek vele. Biohajtóanyagok minőségi követelményeit rendeletek írják elő. Ugyancsak rendeletekben rögzített a fenntartható bioüzemanyag-termelés és felhasználásának dokumentálását is.

Az Európai Bizottság 2012. október 17-én javaslatot tett közzé, melynek célja globális szinten korlátozni a biohajtóanyagok termelésére átállított földterületek arányát, és jobban kihasználni a biohajtóanyagok felhasználásából adódó éghajlati előnyöket az EU-ban. A 2007-ben megfogalmazott 2020-ra vonatkozó 10%-os célkitűzés helyett, most 5%-ra korlátozzák az elsődleges biohajtóanyagok arányát a közlekedési hajtóanyagok körében.

Dr. Varga Vilmos
Szent István Egyetem
Gépészmérnöki Kar, Gödöllő

Felhasznált irodalom
Aguilárné Vass Erzsébet- Kisdeák Lajos: A dízel motorolajok biodízel szennyeződésének meghatározásában rejlő bizonytalanságok című előadás. XXIV. nemzetközi részvételű karbantartási konferencia, Veszprém, 2012. június 4-5.

Jobbágy Péter PhD dolgozata: http://hdl.handle.net/2437/171885