Materiałoznawstwo

Uniwersytet Łódzki

dr Leszek Margielewski

Zasoby energetyczne

●

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 – wymagania

●

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 – podział

●

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

Paliwa gazowe

●

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

Wodór jako paliwo gazowe

●

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

Właściwości alkoholi

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

Podsumowanie możliwości

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