PRIMJENA ALTERNATIVNIH GORIVA U MOTORNIM VOZILIMA - SVJETSKI TREND WORLDWIDE TREND OF ALTERNATIVE FUELS AND VEHICLES Danilo Nikolić* i Radoje Vujadinović* Univerzitet Crne Gore, Mašinski fakultet, Cetinjski put bb, 81 Podgorica, Crna Gore * Abstract: Petroleum-based motor fuels account for 97% of the energy used in road transport worldwide. These fuels have already undergone substantial improvement. In addition to the specifications already scheduled for implementation, new ones may be enforced between now and 22 to account for EU air quality targets and/or new modes of combustion in spark ignition and diesel engines. Beyond this time horizon, alternative fuels offer a solution to reduce greenhouse tailpipe emissions while retaining the internal combustion engine. Some biofuels came into use years ago, often to decrease oil dependence and at the same time exploit a specific resource. Other solutions are under study; for some of them, pilot units have been developed. In the short and medium term, it may be possible to exploit biofuels and natural gas. In the longer term, hydrogen may provide a breakthrough. Key words: Alternative fuels, Biodiesel, Bioethanol, Natural gas, Hydrogen 1. UVOD Još od 6-tih godina prošlog vijeka motorna vozila na svijetu bilježe veći rast od broja ljudi. U 19. godini bilo je miliona vozila na 3. milijarde ljudi. Sada, na 6 miliona vozila ima ljudi nešto više od 6 milijardi ljudi. Prema predviđanjima broj vozila 22. godine će biti 1.2 milijarde, slika 1. Sa ovim porastom broja motornih vozila rastu i problemi koji su povezani sa njima. Sve je izraženiji problem veoma ozbiljnih klimatskih promjena koja je rezultat povećane emisije antropogenog ugljen dioksida (CO 2 ) kao i lokalnog zagađenja kroz emisiju oksida azota (NOx), ugljen dioksida (CO), nesagorjelih ugljovodonika (HC) i čvrstih čestica (PM Particulate Matter). Motorna vozila kroz upotrebu produkata sirove nafte utiču na iscrpljivanje njenih zaliha. Vrhunac svjetske eksploatacije sirove nafte po svim scenarijima se očekuje vrlo brzo. Na slici 2 je dat jedan scenario koji je određen na osnovu uzorka najvećih naftnih polja koja čine 1% svih polja, a koja daju 6% svjetske proizvodnje [2]. Prema najpesimističnijem scenariju, vrhunac eksploatacije će se desiti 28. godine, dok prema najoptimističnijem scenariju 218. godine, poslije čega nastupa primjetan pad. U ovom kontekstu, svijet se suočava sa izazovima kako da najbolje doprinese sprečavanju nastanka moguće svjetske krize. Nove automobilske tehnologije i uvođenje alternative energije su predlozi mnogih industrijskih grana. Međutim, tu se mora obratiti pažnja da nove tehnologije i alternativna goriva pored njihovog doprinosa smanjenju negativnog uticaja vozila na životnu sredinu i održivog snabdijevanja, moraju biti dostupna s obzirom na proizvodnju, transport i cijenu prema krajnjem korisniku.
Broj motornih vozila (miliona) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 19 196 197 198 199 2 21 22 23 Slika 1. Porast broja motornih vozila u svijetu [1]. Proizvodnja (mil. barela/dan) 4 4 3 3 2 2 1 1 193 194 19 196 197 198 199 2 21 22 23 24 2 Slika 2. Proizvodnja sirove nafte sa najvećih naftnih polja [2]. U ovom radu, želja je bila da se da kratki pregled kako svjetske industrije idu ukorak sa vremenom u cilju obezbjeđivanja prilaza održivog obezbjeđenja novih goriva i njihove primjene u već postojećim vozilima sa motorima SUS kao i vozilima budućnosti (vozila na gorive ćelije) kako bi se obezbijedio budući prosperitet i ekološka održivost. 2. ALTERNATIVNA GORIVA Komisija Evropske Unije je znatnije započela promociju alternativnih goriva sa tzv. Zelenim papirom o bezbjednom snabdijevanju energijom. Ovaj dokument zadaje cilj od minimum 2% zamjene standardnih transportnih goriva sa alternativnim do 22. godine. Ciljevi su indikativni, nisu obavezujući, ali svaka zemlja članica mora da informiše Komisiju o preduzetim mjerama. Prema Evropskoj Komisiji, tri alternativna goriva najviše obećavaju: biogoriva (već u upotrebi), prirodni gas (u srednjeročnom periodu) i vodonik za pogon gorivih ćelija (dugoročni period), slika 3. Međutim, Evropska Komisija ne daje prioritet bilo kom od ovih goriva, niti isključuje bilo koja druga. % 2 2 1 1 2 Vodonik Prirodni Gas Biogoriva 2 2 1 6 7 8 2 21 21 22 Slika 3. Preporučeno učešće alternativnih goriva u sektoru transporta u EU [3]. Proizvodnja, mil. tona 9 8 7 6 4 3 2 1 Bioetanol Biodizel 197 198 198 199 199 2 2 21 21 Slika 4. Proizvodnja biogoriva u svijetu [4]. 3.1. Biogoriva Prednosti biogoriva su dobro poznate. Ona obezbjeđuju alternativu postojećim fosilnim gorivima u sektoru transporta i daju bolje ekološke performanse. Imajući zadnje u vidu, biogoriva se smatraju "CO 2 neutralnim". Drugim riječima, sagorijevanjem biogoriva se ne povećava nivo CO 2 u atmosferi. Sljedeća prednost biogoriva jeste što se ona dobijaju iz obnovljivih i održivih izvora. I na kraju, biogoriva se mogu miješati sa konvencionalnim gorivima bez ikakve potrebe za novim vrstama vozila i posebnim distributivnim mrežama.
Glavni nedostatak predstavlja ograničenost sirovina i cijena proizvodnje. Za dalji razvoj biogoriva je neophodno da se nađe kompromis između sektora energije i prehrane oko posjedovanja obradivog zemljišta. Cijena biogoriva je jedan od ključnih faktora koja ograničavaju njihovu veću upotrebu, jer je veća od cijene proizvodnje fosilnih goriva (izuzimajući takse). Porast cijene sirove nafte smanjuje ovu razliku svakim danom. Trenutno su samo dvije vrste biogoriva prisutne u svjetskim razmjerama sa mogućom primjenom u sektoru transporta: bioetanol, koji se koristi u oto motorima, i biodizel, koji se koristi u dizel motorima. Ova biogoriva se mogu isporučivati kroz već postojeću infrastrukturu konvencionalnih goriva i mogu se koristiti u već postojećim motorima SUS bez bitnijih modifikacija. Upotreba oba goriva raste rapidno u svijetu. Bioetanol se znatno više koristi u odnosu na biodizel. Proizvodnja bioetanola je za oko 1 puta veća u odnosu na biodizel: 36 miliona tona in 2, od čega 8% se koristilo kao motorno gorivo, u odnosu na nešto manje od 4 milona tona biodizela, slika 4. Evropska Komisija predlaže minimalni udio biogoriva prodat na tržištu od 2% u 2. godini do 8% u 22. godini, slika 3. Direktiva 23/96/EC koja se odnosi na poreze, dozvoljava zemljama članicama EU da djelimično ili potpuno izostave poreze na biogoriva. 3.1.1. Biodizel Biodizel se može napraviti od različitih biljnih ulja (uljne repice, soje, suncokreta, palminog ulja), otpadnog jestivog ulja, a u zadnje vrijeme je ostvaren postupak dobijanja od biomase - drvenih i biljnih ostataka te raznih drugih materija biljnog porijekla (npr. piljevine, slame itd). U Evropi, Kini i Kanadi biodizel se uglavnom proizvodi od uljne repice, u SAD i Južnoj Americi od soje, a u pacifičkoj regiji od palminog ulja. U Japanu je značajna proizvodnja biodizela od otpadnog jestivog ulja. S obzirom da su neprikladna za direktnu upotrebu u dizel motorima, biljna ulja treba da se transformišu putem transesterifikacije sa alkoholom (metanol) kako bi se napravo metil ester, koji ima slična svojstva kao dizel gorivo. U zadnjih 1 godina svjetska proizvodnja biodizela je rastla intenzitetom od 1% godišnje. U skorije vrijeme taj rast je još više ubrzan tako da je 2. godine proizvodnja skočila za više od 6% u odnosu na prethodnu godinu. Budući da u Evropi postoje veliki kapaciteti za proizvodnju biodizela, to se javlja i dodatna potreba za biljnim uljima. Stoga se u Evropu uvozi oko 1 tona (2. god.) palminog i sojinog ulja. Uzimajući u obzir ovu situaciju, može se očekivati da će Evropa zavisiti od uvoza, posebno palminog ulja, čija je cijena znatno niža od cijene repičinog ulja (za oko %). Njemačka je najveći proizvođač biodizela u svijetu sa 4% od ukupne proizvodnje [4]. Standardi za biodizel su se razvili u mnogobrojnim državama svijeta kako bi se garantovao kvalitet proizvoda. Svaki standard se odnosi na čist biodizel, B1. Biodizel standard ASTM D671 je usvojen u SAD 22. godine. Na osnovu Njemačkog standarda (DIN E166) donešen je i evropski standard za biodizel EN 14214, koji je publikovan novembra 23. godine kao DIN EN 14214:23. Evropski standard za dizel gorivo EN 9 dozvoljava udio biodizela u dizel gorivu do %. U Japanu još nema standarda za biodizel. U gradu Kjoto, gdje je najveća potrošnja biodizela u ovoj zemlji, privremeni lokalni standard je na snazi, a koji se u osnovi podudara sa evropskim standardom. Biodizel ima visoki cetanski broj i dobru mazivost. Za razliku od dizel goriva, biodizel ne sadrži sumpor čime se smanjuje mogućnost za pojavu kisjelih kiša a emisija čestica se znatno smanjuje. Biodizel ne sadrži ni toksična aromatska jedinjenja. Visok sadržaj kiseonika doprinosi smanjenju sadržaja čestica u izduvnim gasovima, dok potpunije sagorijevanje doprinosi i smanjenoj emisiji HC i CO. Međutim, koncentracija rastvorljivih organskih materija (SOF) u česticama zna da bude visoka. Emisija NOx se povećava sa porastom udjela biodizela u dizel gorivu. Upotreba biodizela može da smanji emisiju gasova staklene bašte u
poređenju sa fosilnim gorivima. Upotreba 1%tnog biodizela može da smanji emisiju CO 2 za -6%, dok upotreba %tnog biodizela kao aditiva u dizel gorivu može smanjiti emisiju CO 2 za 2-2.% [6]. Ove kalkulacije su bazirane na kompletnom life-cycle biodizela od kultivacije biljke, proizvodnje i upotrebe biodizela u vozilu. Problemi hladnog starta, manja toplotna moć i veća korodivna svojstva u poređenju sa dizel gorivom predstavljaju najveće mane. 3.1.2. Bioetanol Bioetanol se proizvodi fermentacijom poljoprivrednih proizvoda. U Brazilu glavna biljka za proizvodnju bioetanola jeste šećerna trska, a u SAD to je kukuruz. U Evropi se uglavnom proizvodi od šećerne repe. Celulozni materijal kao što je poljoprivredni i drvni otpad i kao i odvojeni otpad od domaćinstva mogu biti dodatne opcije kao buduće sirovine. Najveći proizvođači bioetanola u svijetu su Brazil i SAD (preko 7%). Proizvodnja u Evropi iznosi samo 1% od ukupne svjetske proizvodnje [4]. U 2. godini u Evropi se proizvelo oko 7 tona bioetanola za motorna vozila a uvezlo dodatnih 2 tona kako bi se pokrila potrošnja. Bioetanol se može koristiti kao čisto gorivo i kao dodatak benzinu. Prema evropskom standardu EN 228, bioetanol se može koristiti kao %-tni dodatak benzinu i sa takvom smješom nijesu potrebne nikakve modifikacije na motoru. Usvajanje najnovijeg standarda za bioetanol u EU se očekuje početkom 28.god pod nazivom EN 1376. Najbitnija stavka se ogleda u mogućnosti dodavanja do 1% etanola u benzin. U SAD se već koristi smješa od 1% etanola u benzinu, tzv. gasohol E1. Prema ASTM D 486 određuje se kvalitet etanola za miješanje sa benzinom u odnosu 1% (E1) i 8% (E8). FFV ( flexible fuel vehicles Ford, Volvo, DaimlerChrysler, Renault, GM) vozila su modifikovana da koriste goriva sa većim učešćem etanola (E8) pri čemu su izvršene modifikacije na motoru kao npr. sistem ubrizgavanja, sistem podešavanja rada motora, zamjena plastike i zaptivača i sl. U Brazilu se pokreće oko 4 miliona vozila koja su fabrički podešena za E-goriva. Postoje dvije formulacije etanola E9 i E2. Kako je tržište šećerne trske i finalnih proizvoda podložno oscilacijama u cijenama, to i cijene goriva iz šećerne trske variraju. Etanol ima visoki oktanski broj, tako da prilikom miješanja sa benzinom povećava se oktanski broj takve smješe. Veći oktanski broj omogućava mirniji rad motora, kao i primjenu tog goriva u motorima sa većim stepenom kompresije što obezbjeđuje i veću efikasnost. Glavna prednost bioetanola je što omogućava smanjenja emisije gasova staklene bašte. Upotreba 1%tnog bioetanola smanjuje CO 2 za oko -6% na life-cycle osnovi u poređenju sa konvencionalnim gorivima u slučaju da je bioetanol napravljen od šećerne repe ili pšenice [6]. Ako se celulozni materijal koristi u proizvodnji, tada neto emisija gasova staklene bašte može biti manja čak i do 8%, što je razlog manjeg inputa energije u toku proizvodnje celuloznog materijala i efikasnijeg procesa obnavljanja. Koristi od upotrebe mješavina su naravno manja. Na primjer, %tna mješavina bioetanola u benzinu može dovesti do 2.-3%tnog neto smanjenja emisije [6]. Bioetanol može u manjem obimu smanjiti i emisiju zagađivača iz motornih vozila ali ove vrijednosti zavise od vrste oto motora i od specifikacije goriva. S obzirom da toplotna moć etanola iznosi 6% od toplotne moći benzina, to je potrebno obezbijediti više etanola za isti pređeni put vozila. Takođe pri miješanju benzina i etanola uz prisustvo vode može doći i do razdvajanja faza. 3.2. Prirodni gas Prirodni gas nije obnovljivi izvor energije kao što su biogoriva. To je fosilno gorivo, ali s obzirom da su mu zalihe znatno veće od zaliha sirove nafte može se, između ostalog, smatrati i alternativnim gorivom za neki srednjoročni prelazni period. Prirodni gas se sastoji
uglavnom od metana (CH 4 ) 7-9%, i u manjim količinama od etana, propana i butana. Komisija EU je svojim Zelenim papirom predvidjela uvođenje prirodnog gasa na tržište motornih goriva sa 1% do 22. godine, slika 3. Tehnologija primjene prirodnog gasa u motornim vozilima je već razvijena. Postoje tri vrste vozila koje koriste prirodni gas kao pogonsko gorivo: vozila koja koriste samo prirodni gas kao pogonsko gorivo, vozila koja koriste prirodni gas ili benzin (ili jedno ili drugo, ali ne oba istovremeno), i ona koja koriste smješu dizel goriva i prirodnog gasa u kom slučaju dizel gorivo se koristi kao pilot gorivo kako bi se upalio prirodni gas. Prirodni gas se može skladištiti na vozilu na dva načina: u gasovitom stanju pod visokim pritiskom od 2bar (CNG - Compressed Natural Gas) ili u tečnoj fazi na temperauri ispod -18ºC (LNG - Liquified Natural Gas). Potreba za rezervoare sa velikim pritiskom i relativno teškom konstrukcijom ograničava veći razvoj ove tehnologije. Rezervoari za gorivo su ili veliki ili teški, što znači da je prirodni gas najbolje rješenje za velika vozila kao što su kamioni i autobusi. Četiri velika proizvođača prave autobuse na prirodni gas: Irisbus, Evobus, Van Hool i Volvo, dok komunalna vozila proizvode Iveco, Mercedes i Renault Trucks. Što se tiče malih vozila velike kompanije su počele sa proizvodnjom dvogorivih (benzin/prirodni gas) vozila Peugeot, Citroen, Renault, Fiat, Volkswagen, Mercedes i Opel. Što se tiče putničkih vozila na prirodni gas, Latinska Amerika je doživila skok broja vozila, prvenstveno kao rezultat promovisanja razvoja prirodnog gasa od strane vlada, posebno u Argentini, Venecueli i Kolumbiji gdje postoje velike zalihe ovog energenta. Skoro trećina svjetske populacije vozila na CNG kreće se putevima Argentine, koja ima oko 1.2 milona vozila i oko 11 punionica. Ova vozila predstavljaju 17. % ukupne populacije motornih vozila u ovoj državi. U Evropi, Italija je prva država u kojoj je značajnije prisutna tehnologija vozila na prirodni gas, gdje na preko 38 vozila ima preko stanica za pretakanje. Imajući veće rezerve prirodnog gasa, Italija je od davno razvijala flotu, koja je već poprilično zastarjela. U SAD ima oko 13 vozila na pogon na prirodni gas. Prirodni gas ima visoki oktanski broj što omogućava mirniji rad motora bez detonacija. Sagorijevanjem prirodnog gasa ne stvara se emisija čvrstih čestica niti HC. Emisija CO je smanjena za 9 % a NOx za 6 %. Upotrebom prirodnog gasa smanjuje se emisija CO 2 za oko 1%, zbog nižeg sadržaja ugljenika. Treba imati na umu da prirodni gas, odnosno metan, ima za preko 2 puta veći uticaj na efekat staklene bašte od CO 2. Stoga je neophodno minimizirati potencijalno curenje prirodnog gasa prilikom transporta, pretakanja i korišćenja. Prirodni gas ima znatno manju toplotnu moć od konvencionalnih goriva. Nedostatak većeg broja stanica za pretakanje čini ovo gorivo još nedostupnim za veću upotrebu. 3.3. Vodonik U dugoročnom periodu vodonik, H 2, može da predstavlja alternativu fosilnim gorivima. U tom cilju, trenutno postoji niz bitnih naučnih, tehnoloških i ekonomskih poteškoća koje treba prevazići kako bi ovo gorivo našlo veću primjenu u sektoru transporta. Komisija EU je svojim Zelenim papirom predvidjela uvođenje vodonika na tržište motornih goriva sa % do 22. godine, slika 3. Iako je H 2 najrasprostranjeniji element u kosmosu, nema ga u slobodnom stanju na Zemlji. Čisti H 2 se mora proizvesti iz jedinjenja u kojima je vezan, kao što su fosilna goriva (prirodni gas i ugalj), biomasa i voda. Velika raznolikost sirovina ovo gorivo čini veoma obećavajućim gorivom u budućnosti. Ekološki efekat H 2 je u direktnoj zavisnosti od postupka dobijanja. Proces izdvajanja H 2 iz fosilnih goriva (reforming) je danas glavni i najjeftiniji metod proizvodnje H 2. Nažalost, ovaj proces emituje zagađivače i upotrebljava neobnovljiva goriva. Proces izdvajanja H 2 iz vode (elektroliza) može biti proces bez emisije zagađivača i uz upotrebu obnovljivih izvora tj. ako je električna energija koja se koristi u procesu proizvedena na taj način (energija vjetra, sunca, hidro).
H 2 se kao gorivo može upotrijebiti u već postojećim oto motorima i kao gorivo za gorive ćelije. Upotreba H 2 kao pogonskog goriva u oto motorima je moguća uz određene modifikacije prije svega na sistemu goriva. U ovom slučaju emisija CO 2, CO i HC je jednaka nuli (osim veoma malih količina koje su posljedica sagorijevanja motornog ulja). Budućnost H 2 se prije svega odnosi na njegovu primjenu kao gorivo za gorive ćelije. Goriva ćelija je elektrohemijski uređaj koji koristi H 2 i O 2 pri čemu se proizvodi električna energija, toplota i voda. Vozila na gorive ćelije kao emisiju imaju samo vodu, tako da su veoma poželjna sa stanovišta zaštite životne sredine. Postoji više načina skladištenja H 2 na vozilu. Najčešće se skladišti u gasovitom stanju na pritisku od oko 2MPa. Kada se skladišti u tečnom stanju mora biti na temperaturi od 2ºC i pritisku od 2bar, u specijalnim kriogenim rezervoarima sa duplim zidovima. Treći način jeste skladištenje u metalnim hidridima (Metal Hydrides). Ovdje se skladištenje zasniva na činjenici da se H 2 u gasovitom stanju lako absorbuje u metalima, stvarajući slabe hemijske veze. H 2 se oslobađa tako što se temperatura hidridima poveća do određene temperature. Najveća mana jeste što imaju malu masenu gustinu energije i stoga su previše teški. Uslovi bezbjednosti će se morati garantovati kako bi ova tehnologija bila prihvatljiva za širu upotrebu. Takođe, moraće se voditi i računa o infrastrukturi snabdijevanja i cijeni gorivih ćelija (cijena je i do 1 puta veća od motora SUS). Zbog svega ovoga smatra se da će tehnologija gorivih ćelija biti dostupna za širu upotrebu tek nakon 21 godine. 6. ZAKLJUČAK Sa porastom broja vozila raste i emisija gasova staklene bašte, zagađenje životne sredine i iscrpljenje zaliha sirove nafte. Kao jedno od rješenja navedenih problema jeste zamjena klasičnih goriva sa alternativnim. Neka od alternativnih goriva se sada već pojavljuju na tržištu. Međutim, upotreba ovih goriva nema značajniji trend rasta, uglavnom zbog činjenice da nisu konkurentna trenutnim zahtjevima. Cijena, pristupačnost i gustina energije su ključni zahtjevi, i sve dok se još rješavaju osnovni zahtjevi teško je zadovoljiti druge, kompleksnije. Motori sa unutrašnjim sagorijevanjem (SUS) će ostati i dalje glavni pogonski agregat vozila u bliskoj budućnosti, uz upotrebu klasičnih goriva kao i alternativnih goriva koja mogu bez većih modifikacija na motorima SUS da se upotrebljavaju kao što su biogoriva i prirodni gas. Vodonik ostaje interesantan za dalju budućnost kao pogonsko gorivo za gorive ćelije. REFERENCE [1] Nikolić D. Vujadinović R. i Nikolić B.: Motorna Vozila I Osnovi motornih vozila i njihove tehničke, ekološke i homologacijske ispravnost, Dukljanska Akademija i Institut za transport, Podgorica 26. [2] Robelius F.: Giant Oil Fields and Their Importance for Future Oil Production, Ph.D. thesis, Uppsala University, Uppsala, Sweden, 27. [3] http://ec.europa.eu/energy/green-paper-energy/index_en.htm [4] Prieur-Vernat A.: Biofuels Worlwide, Report Panorama 27, IFP Inovation Energy Environment, www.ifp.fr, 27, Rueil-Malmaison, France. [] http://www.dieselnet.com/standards/fuels.html [6] Nikolic D.: Implementation Of Alternative Fuels For Motor Vehicles, 1st Symposium of Chemistry and Environment, Miločer, Montenegro, june 27.