MEK-C Kuljetusvälinetekniikka. Vaihtoehtoiset polttoaineet Aki Tilli

Transkriptio

1 MEK-C Kuljetusvälinetekniikka Vaihtoehtoiset polttoaineet Aki Tilli

2 Vaihtoehtoja mille?

3 Termejä Biopolttoaine?

4 Termejä Biopolttoaine Tuotannon raaka-aineet orgaanista materiaa (lyhyt sykli) Uusiutuva polttoaine?

5 Termejä Biopolttoaine Tuotannon raaka-aineet orgaanista materiaa (lyhyt sykli) Uusiutuva polttoaine? Laajempi käsite! Polttoaine on uusiutuva, jos sen energian lähde ei oleellisesti vähene (maapallolla) suhteellisen Esim. vety, jos se tuotetaan uusiutuvalla energialla (tuuli, aurinko ym. ) Vaihtoehtoinen polttoaine?

6 Termejä Vaihtoehtoinen polttoaine Polttoaine, joka nähdään vaihtoehtona perinteisesti käytetyille fossiilisille polttoaineille (diesel, bensiini, raskas polttoöljy) Ei välttämättä uusiutuva, esim. maakaasu liikenteessä! Biodiesel?

7 Termejä Vaihtoehtoinen polttoaine Polttoaine, joka nähdään vaihtoehtona perinteisesti käytetyille fossiilisille polttoaineille (diesel, bensiini, raskas polttoöljy) Ei välttämättä uusiutuva, esim. maakaasu liikenteessä! Biodiesel? Lainsäädäntö ja standardit: Vain esteribiodiesel!!! Termistö sekavaa ja ei yleisesti hallussa Laajempia: bioperäinen, uusiutuva, green diesel

8 Vaihtoehtoja fossiiliselle bensiinille?

9 (Bio)etanoli (C2H5OH) Suurin osa maailman etanolista polttoaineeksi! EN228 standardi: max 10% (95E10) 98E5 varavaihtoehtona vielä pitkään 5 => 10% = kulutuksen pieni kasvu litroissa % => tarvitaan pieniä muutoksia (kumit ei kestä, hapettumisongelma) E85 = max. 85 % etanolia Bensiini tarvitaan kylmäkäynnistykseen (max. 25%) FFV = flex-fuel vehicle Tankit, tiivisteet, suuttimet, seals, säätö uusiksi Öljynvaihtoväli lyhyempi E85: + ~40 % kulutus Polttoaine-etanolin PUHTAUS tärkeää! Source: VTT 9

10 Source: Castle Rock Renewable Fuels

11

12 Etanoli: päästöt CO, HC, PM, NOx ja PAH vähenevät Kylmäkäynnistys, aldehydit, haihtuvat ongelma GHG: Source: US Environmental Protection Agency 12

13 Butanoli Tuotanto kehittymässä: samat lähteet, hankalampaa ja kalliimpaa kuin etanolilla Loppukäytön ongelmat vähäisempiä

14 Metanoli Syngas => katalysoitu reaktio => metanoli+vesi Tuotanto lähinnä maakaasusta, vaihtoehtoja paljon Kustannustehokas Huonohko syttyvyys bensiiniin verrattuna, myrkky, korroosio (esim. Al) Energy carrier? Polttokennot?

15 Biokaasu ja maakaasu Metaania! Puhdistustarve CO2,, N2, vesi, rikkiyhdisteet, siloksaanit (kaatopaikkakaasussa) Raw biogas Raw natural gas Dry (purified) gas Gas composition %(vol.) Methane Higher alkanes ~ Carbon dioxide ,5 Nitrogen ,5 Hydrogen sulphide ~0 Properties Lower Heating value (MJ/kg) ~ ~50 Density (kg/nm^3) ~1,15...1,3 0,73...1,1 0,73 Pääasiassa Ottomoottoreissa Dual-fuel 15

16 Biokaasu ja maakaasu 16

17 Biokaasu ja maakaasu Vähäiset hiukkaspäästöt NOx riippuu teknologiasta Methane slip ongelma! 17 OECD/IEA 2010 The contribution of natural gas vehicles to sustainable transport

18 18 Pfeifer, B Basics of the biogas process. International training course 1519 September 2008.

19 CNG, LNG, LPG CNG: compressed natural gas < 1% vol, p = bar LNG: liquefied natural gas ~1/600 vol, low p (atm), ~ 162 C. LPG: liquefied petroleum gas Propaani, butaani < 10 bar paine riittää nesteytykseen 19

20 Vaihtoehtoja dieselille (puristussytytteisessä moottorissa)?

21 Uusiutuvat dieselpolttoaineet Biodiesel: FAME = fatty acid methyl ester Synthetic diesel: parafiiniset hiilivedyt = Fischer-Tropsch (FT) diesel Biomass-to-liquids BTL Gas-to-liquids GTL Coal-to-liquids CTL Hydrotreated vegetable oil (HVO) Nesteen NEXBTL, UPM:n bioverno DME * Place your footnotes / notes here 21

22 Biodiesel = FAME Termodynaamisesti ~ normidiesel Myrkytön ja biohajoava (6 kk ) Palamisen kannalta: Ruiskutusominaisuudet huonot polttoainesuihkun ja sekoittumisen kannalta, ei haihdu ja päätyy enemmän sylinterin seinille (huono palaminen) Kemia: Esterissä happea = palaa hyvin, matalampi lämpöarvo Ongelmallista joidenkin materiaalien (kumit) kannalta, imee vettä, lieviä korroosio-ongelmia Öljynlaimenemaongelma

23 Biodiesel = FAME Source: US EPA

24 Biodiesel = FAME

25 Hydrotreated vegetable oil: HVO Neste oil: NEXBTL As an anwer to the demand for high quality renewable diesel produced at refinery volumes Tuotanto integroitu jalostamoon => vety, lämpö, infra saatavilla

26 Hydrotreated vegetable oil: HVO T, p control => chain length, isomerization => properties Catalysts e.g. NiMo/Al2 O3, CoMo/ Al2 O3

27 Hydrotreated vegetable oil: HVO

28 Hydrotreated vegetable oil: HVO Elinkaarianalyysit (Neste Oil) palmuöljydieselistä: GHG - 33%...-90% EPÄSUORIA maankäytön muutoksia (sademetsät ) ei vielä laskettu mukaan Raaka-aineet öljyjä ja rasvoja; kilpailu ruoan tuotannon kanssa Selvästi laajemmat raaka-ainemahdollisuudet, kuin (hyvälaatuisella) FAMElla Neste pyrkinyt eroon palmuöljyn käytöstä, nykyään suurin osa jo jätteeksi luokiteltavasta materiaalista: jäteöljyt ruoan tuotannosta, jopa mäntyöljy, palmuöljyn tuotannon jätteet UPM:n bioverno tuotetaan kokonaan metsäteollisuuden mäntyöljystä (jäte)

29 Fischer-Tropsch (FT) -diesel Biomass to liquids (BTL), Gas to liduids (GTL), Coal to Liquids (CTL) = parafiininen polttoaine, sama kuin HVO kaasutus => CO ja H2 ( Syngas ) => Puhdistus => FT-prosessi => (iso)parafiinisia hiilivetyjä

30 Fischer-Tropsch-diesel Tuotantokustannukset korkeat edelleen Erityisesti BTL: pienet määrät, kallista ja uutta tekniikkaa koevaiheessa, katalyytit, energiatehokkuus? GTL, CTL jo pitkään tuotannossa, paikoissa joissa raakaöljyä ei ole ollut saatavilla: WW2 Saksa, rotuerotteluajan E-Afrikka GTL nykyään: Sasol, Shell, BTL: Choren, (Neste Oil+Stora Enso), Kemin tuleva biojalostamo (Kaidi)

31 DME dimetyylieetteri Yksinkertaisin eetteri Valmistus metanolista tai syhteesillä Hyvät ominaisuudet diesel-prosessiin Hyvin alhaiset päästöt Source: Volvo Sivu 31

32 DME dimetyylieetteri Kaasumainen, käsittely kuin LPG:llä Käytössä mm. lämmitys (Kiina) Volvo: BioDME-rekkoja Ongelmia Kaasumaisuus, matala viskositeetti: tankit ja polttoaineensyöttö Kumien ym. kanssa yhteensopivuusongelmia, kavitointi Japan DME Forum Sivu 32

33 Biobased diesel fuel comparison

34 Biobased diesel fuel comparison FAME HVO BTL Process route Transesterification Hydrotreatment Gasification, FT Feed Product Vegetable oils Oils, fats Biomass Product (type) Product quality CO2 emissions (LCA) Fatty acid methyl esters Consistency and stability issues kg CO2/kg oil equivalent Isomerized paraffinic hydrocarbons High kg CO2/kg oil equivalent Isomerized paraffinic hydrocarbons High kg CO2/kg oil equivalent Note: Fossil diesel fuel value reported as 3.8 kg CO2 / kg oil equivalent (Bown D. 2007)

35 Biobased diesel fuel comparison NExBTL GTL FT FAME (RME) Typical diesel Diesel Typical Typical fuel EN 590 Density at +15 C (kg/m3) n. 885 n Viscosity at +40 C (mm2/s) n n. 4.5 n Cetane number n n. 51 n. 53 >51 10 % distillation ( C) n n. 260 n. 340 n % distillation ( C) n. 355 n. 350 Cloud point ( C) n n n n. - 5 Heating value (MJ/kg) n. 44 n. 43 n. 38 n. 43 Heating value (MJ/l) n. 34,5 n. 33,8 n. 34 n. 36 Polyaromatic content (wt- %) n. 0 n. 0 n. 0 n. 4 <11 Oxygen content (wt-%) n. 0 n. 0 n Sulfur content (mg/kg) < 10 < 10 < 10 < 10 <50

36

37 GHG and cost of GHG avoided

38 Bio-based diesels, in short FAME Production: oil+alcohol => fatty acid ester (+glycerol) simple production, low emissions quality, food vs. fuel, enough feedstocks? NOx? HVO oils/fats + hydrotreatment => paraffin HC quality, emissions low, production at refinery levels food vs. fuel, enough feedstocks?, deforestration, price? BTL Biomass => gasification => syngas (CO +H2) => (Fischer Tropsch synthesis) => paraffin HC quality, emissions, any biomass ok! price, development stage, difficult process, small production scale so far DME From syngas or direct synthesis from methanol quality, emissions, any biomass ok, existing production, no new logistics solutions (vs. LPG)! Logistics and production in a new scale, requires pressurized systems, engine adaptation requirement, difficult process * Place your footnotes / notes here 38

39 Thank you! Trad diesel vs. synthetic diesel