TransEco 2009-2013 Polttoainehankkeiden tuloksia Päivi Aakko-Saksa 10.9.2013
Hankkeet Korkean pitoisuuden etanolipolttoaineet Korkeaseosteiset biokomponentit henkilöautojen polttoaineisiin muut kuin etanoli Dieselautojen hiukkassuodattimen toiminta biopolttoaineilla Etanoli raskaan kaluston polttoaineena IEA Bus Muuta: Polttoaineiden standardointi vaikuttaa aikatauluihin! xxx xxx
Korkeaseosetanoli REFUEL POLTTOAINEEN OPTIMOINTI KYLMIIN OLOSUHTEISIIN
Miksi korkeaseosetanolia? Maksimi etanolimäärä nykyautoissa 10 til-% (95E10), eli energiaosuutena alle 6 %. Tavoite uusiutuville liikenteessä on haasteellinen: 20% 2020.Korkeaseosetanoli ja FFV-auto tuovat lisänielua : 1 E85/FFV vastaa viittä E15-autoa! Tässä hankkeessa RE85-polttoaineen koostumusta optimoitiin Suomen kylmiin olosuhteisiin tavoitteena FFV-autojen ongelmaton toiminta ja käynnistyvyys sekä alhaiset pakokaasupäästöt myös matalissa lämpötiloissa.
Koepolttoaineet ja autot Peruslaatuna normi-e85 EtOH 85% ja BE95 15% 5 erilaista sekoitetta, joissa bioetanolia 70-85 %, bensiiniosuudessa eri seoskomponentteja Autot Euro 4 hyväksyttyjä, MPFI+TWC Euro 5 hyväksyttyjä, GDI+TWC Verrokkina E10 bensiini kesä- ja talvi-laadut erikseen
Koematriisi 2009-2011 polttoaine koelämpötila Autoja # Pa1 +23-7 3 Pa2 +23-7 3 Pa3 +23-7 7 Pa3T -15-20 -25-25 LL 3 Pa5-15 -20-25 3 Pa7-7 -20-25 -25 LL 3 E10K +23-7 5 E10T -7-25 3 Pa3w +23-7 2 3F95 +23-7 2 ei käynnistyt LL = lohkolämmitin 2 h
7 6 Käynnistyvyysraja < -20 o C REFuel1-laatu talvihöyrynpaineella HC emissio [g/km] @ EC2000 5 4 3 2 1 E10 NORMI-E85 REFuel1-laatu kesähöyrynpaineella 0-30 -20-10 0 10 20 30 o Lämpötila [ C]
7 6 + 2h lohkolämmitin HC emissio [g/km] @ EC2000 5 4 3 2 1 Lohkolämmitin alentaa kylmäkäynnistyksen päästöjä 0-30 -20-10 0 10 20 30 o Lämpötila [ C]
Yhteenveto -7 C:ssa korkeat päästöt kaikilla polttoaineilla. Korkeseosteisen etanolipolttoaineen kokonaishiilivety- ja aldehydipäästöt korkeammat kuin E10:llä, kun taas CO ja NOx päästöissä ei suurta eroa. Korkeaseosteisen etanolipolttoaineen bensiiniosuuden koostumus vaikuttaa käynnistyvyyteen ja pakokaasupäästöihin. Optimoimalla seoskomponentit, koeautot käynnistyivät vielä -25 C lämpötilassa samalla HC-tasolla kuin normi-e85 noin -15 C:ssa. Kylmäpäästöt korkeita ensimmäisten 2-5 km aikana; lämpimällä moottorilla ulkolämpötilalla ei juuri vaikutusta. Toisaalta, henkilöautojen ajomatkat ovat keskimäärin lyhyitä ja lämpötilat alhaisia +23 C hyväksymistestiin nähden. Lohkolämmitin vähentää tehokkaasti kylmäkäynnistyksen päästöjä.
Julkaisuja
Biobensiini KORKEASEOSTEISET BIOKOMPONENTIT HENKILÖAUTOJEN POLTTOAINEISIIN MUUT KUIN ETANOLI
Tutkimuksen sisältö Korkean bioenergiaosuuden biobensiinit tavallisille autoille A. Tuotantoprosessit, niiden kypsyys ja kustannus/hyöty-suhde, kirjallisuuskatsaus Pääpaino prosesseilla, joilla raaka-aineet kestävän kehityksen mukaisia. B. Komponenttien käytettävyys jakeluketjussa ja ajoneuvoissa Vaihtoehtoisten bensiinin biokomponenttien käytettävyys, pakokaasupäästöt ja polttoaineenkulutus. Etanoli sopii tavallisille autoille korkeintaan noin 10% seoksina Etanolin ja muiden biokomponenttien yhdistelmät: Jopa yli 20 % bio-osuus saavutettavissa tavallisilla bensiiniautoilla!
A. Kirjallisuus: vaihtoehtoja bensiiniin Bio-alkoholit Etanoli: käytetään nykyisin Biobutanolit: demonstraatio / kaupallistamisvaihe Bio-eetterit Bio-ETBE: käytetään nykyisin Bio-TAEE, Bio-MTBE, Bio-TAME: mahdollisia helposti Bio-hiilivedyt bensiiniin HVO: saatavilla NExBTL:n sivutuotteena Fischer-Tropsch: tulevaisuudessa BTL-sivutuotteena Methanol To Gasoline biobensiini: biomassa pilotointi (maakaasu ok, hiili demonstraatiot) Jalostamoon integroidut/yhteissyöttö-ratkaisut lupaavia Kehitysasteella muitakin prosesseja (Virent ) Biohiilivetyjen ominaisuudet vaihtelevat raaka-aineen ja prosessin mukaan. Valmistuksessa huolehditaan lopputuotteen standardinmukaisuudesta.
B. Biobensiinivaihtoehtojen käyttöominaisuudet Three spark-ignition cars: 1) Euro 5 MPFI car 2) Euro 5 direct injection car (FSI) 3) Euro 4 FFV tolerates high oxygen contents (E85 contains ~30 % oxygen) Fuel matrix included several biocomponent options for gasoline: ethanol, isobutanol, n-butanol, ETBE ether, biohydrocarbons [1] and their mixtures. [1] Biohydrocarbons: byproduct of NExBTL renewable diesel Measurements at -7 C temperature to evaluate real-life emissions. [1] Aakko-Saksa et al. VTT Working Papers 187 & SAE 2011-24-0111.
Polttoainematriisi Aakko-Saksa et al. VTT Working Papers 187 & SAE 2011-24-0111.
CO, HC and NOx emissions Aakko-Saksa et al. VTT Working Papers 187 & SAE 2011-24-0111.
PAH emissions
Exhaust toxicity risk factors REGULATED RISK FACTOR = Σ(FX * EX) F E x = External costs of emission, /tonne = Emission in exhaust gas, tonne/km = CO, HC, NMHC, NO x, PM UNREGULATED RISK FACTOR = Σ(URF * C) X URF = Unit risk factor (OEHHA, 2009), (µg/m 3 ) -1 c = Concentration in exhaust gas, µg/m 3 x = Formaldehyde, acetaldehyde, benzene and 1,3-butadiene External costs: NMHC, NOx, PM from Directive 2009/33/EC External costs: CO, HC Finnish national values Unit risk factors defined by OEHHA(2009)
Johtopäätöksiä TAVALLISET BENSIINIAUTOT Biopolttoaineilla pakokaasupäästöt pääosin fossiilista bensiiniä alhaisempia. Alhaisimmat päästöt: 20% ETBE + 15 % bio-hc, bioenergia 21 % Butanoleilla indikaatio korkeammasta 1,3-butadieeni-päästöstä Oksygenaatit vähensivät hiukkaspäästöjä FSI-autolla Yli 20 % bioenergiaosuus tavallisille E10 -bensiiniautoille on saavutettavissa FFV-AUTO E85:n päästöjä kylmässä voitiin pienentää (mm. asetaldehydi): Etanolipitoisuuden laskeminen 30%:iin (E30) -> päästöt bensiinin tasolla. Alhaisimmat päästöt: 20 % etanoli + 15% ETBE, bioenergia 19%. Bioenergiaa voitaisiin nostaa edelleen bio-hiilivedyillä Etanolin lisäksi polttoaineessa voi esim. käyttää ETBE, butanoli ja/tai biohiilivety-komponentteja. Muuta: matalimmat päästöt perinteisellä MPFI -autolla. FSI-autolla korkeat hiukkaspäästöt sekä niihin liittyvät PAH-päästöt ja Ames-mutageenisuus. Ammoniakkia muodostui TWC-katalysaattorissa.
Julkaisut Aakko-Saksa, P., Rantanen-Kolehmainen, L., Koponen, P., Engman, A. ja Kihlman, J. (2011) Biogasoline options - Possibilities for achieving high bio-share and compatibility with conventional cars. SAE Int. J. of Fuels and Lubricants. Vol. 4 (2011) No: 2, 298-317. Also SAE 2011-24-0111. Aakko-Saksa, P. et al. (2011) Biogasoline options for conventional spark-ignition cars. VTT Working Papers 187. http://www.vtt.fi/inf/pdf/workingpapers/2011/w187.pdf Aakko-Saksa, P., Koponen, P., Rantanen-Kolehmainen, L. Bensiiniautojen sääntelemättömät pakoaasupäästöt. Ilmansuojelulehti 4/2012. s.10-15.
DIESELAUTOJEN HIUKKAS- SUODATTIMEN TOIMINTA
Tavoite Päästövaatimusten kiristymisen myötä hiukkassuodatin on uusissa dieselkäyttöisissä henkilöautoissa nykypäivää. Hiukkassuodatin kerää pakokaasujen hiukkaset hyvin tehokkaasti, mutta suodatin on tukkeutumisen estämiseksi aika-ajoin regeneroitava eli puhdistettava polttamalla sinne kertynyt noki pois. Tässä tutkimuksessa oli tavoitteena selvittää polttoaineen vaikutusta hiukkassuodattimen puhdistustarpeeseen.
Ajoneuvo ja polttoaineet Tutkimus toteutettiin ajoneuvolla, joka oli eurooppalainen Common Rail ruiskutusjärjestelmällä varustettu henkilöauto vm 2009. Polttoaineet: Vertailupolttoaineena EN 590 normin mukainen fossiilinen dieselpolttoaine. 30 % HVO:ta (Hydrotreated Vegetable Oil) sisältävä dieselseos puhdas HVO 10 % rypsiöljyn metyyliesteriä (FAME, Fatty Acid Methyl Ester) sisältävä dieselpolttoaine.
Tulokset Polttoaine vaikutti hiukkaspäästöihin ja hiukkassuodattimen regenerointitarpeeseen. Fossiilisella EN 590 dieselpolttoaineella regenerointiväli noin 330 km, samoin 30 % HVO-seoksella. 100 % HVO:lla regenerointiväli keskimäärin hieman yli 400 km, 22 % pidempi kuin EN 590 polttoaineella. Myös 10 % FAME:a sisältävällä polttoaineella päästiin keskimäärin noin 400 km:n regenerointiväliin, mutta tulosten hajonta oli poikkeuksellisen suuri. Kokeiden aikana hiukkassuodatin tukkeutui hitaasti nokihiukkasten kerääntyessä suodattimeen. Painehäviö ennen regenerointia oli luokkaa 85 mbar; 100 % HVO:lla painehäviö runsaat 10 mbar pienempi. Regenerointi kohotti koko ajomatkalle laskettua keskimääräistä polttoaineenkulutusta 0,2 0,4 l/100 km riippuen regeneroinnin kestosta.
Hiukkassuodattimen regenerointiväli
Paine-erot suodattimella
Julkaisut Jochim Donner 6.6.2012 JORY
ETANOLI RASKAAN KALUSTON POLTTOAINEENA
Etanoli dieselmoottorin polttoaineena Etanolin setaaniluku n. 8 >> ei toimi sellaisenaan Nostetaan puristussuhdetta/ahtoastetta, ja käytetään sytytys- tai hehkutulppia -> 80-luvun tekniikkaa Käytetään lisäpolttoaineena dieselin rinnalla -> Kaksipolttoainemoottori; kaksi polttoainejärjestelmää Sekoitetaan dieselpolttoaineeseen -> huono liukoisuus, vaati väliliuottimen Lisätään sopivaa syttyvyydenparantajaa -> voidaan korvata diesel kokonaan Kaikissa muodoissa vaatii erikoismoottorin! lähde: Mathias Olofsson/SEKAB Bioethanol as a Clean Alternative for Urban Heavy Transport 16.09.2009
Etanolimoottorin tekniikkaa Perustuu 9-litran Euro IV-tason dieselmoottoriin Tyyppihyväksytty EEV-tasolle Dieselprosessin mukainen toiminta = puristussytytys Hyvä hyötysuhde (43 %), lähes sama kuin dieselillä VTT:llä on etanolimoottori. lähde: RED95 Etanolitilaisuus 9.2.2011 / Oy Scan-Auto Ab
Polttoaine 96 % jätepohjaista bioetanolia (vesipitoisuus max 4 til-%) 3,5 % syttyvyydenparantajaa korroosionestoaineita voitelevuuslisäaineita denaturointiaineita =
Esikokeet VTT:llä Jäte/jakeluauto Kaupunkibussi
Yhteenveto - Etanoli vastaan kilpailijat Jakelukuorma-autot: keskimääräiset NOx-päästöt 75 % vähenemä hiukkasissa (PM) verrattuna diesel-keskiarvoon energian kulutus samaa luokkaa kuin dieseleissä Bussit: keskimääräiset NOx-päästöt keskimääräiset hiukkaspäästöt (PM); korkeammat kuin CNGautoilla tai dieseleissä joissa DPF energian kulutus: hieman korkeampi (+8 %) kuin dieselkeskiarvo huomattavasti pienempi (-30 %) kuin CNG-keskiarvo
Kenttäkoe Virallinen aloitus helmikuussa 2011 Tankkauspisteen perustaminen & ensimmäinen auto liikenteeseen Kokeeseen kiinnitettynä: Jakeluauto (Valio) Jäteauto (Sita) Jäteauto (L&T) Kolmivuotinen seurantajakso VTT seuraa päästöjen ja muiden suoritusarvojen kehittymistä Linja-autojen osuus vielä suunnitteluasteella
Julkaisut
STANDARDOINTI VAIKUTTAA AIKATAULUIHIN
Seppo Mikkonen, Neste Oil Jochim Donner 6.6.2012 JORY
IEA-AMF Annex 37: FUEL AND TECHNOLOGY ALTERNATIVES FOR BUSES
Elements of project
Objective Project on urban buses was carried out in cooperation with IEA s Implementing Agreements on Advanced Motor Fuels (Annex 37) and Bioenergy, with input from additional IEA Implementing Agreements. The objective of the project was to generate unbiased and solid data for use by policy- and decisionmakers responsible for public transport using buses. The project comprised four major parts: (1) a well-to-tank (WTT) assessment of alternative fuel pathways, (2) bus end-use performance (tank-to-wheel, TTW) assessment, (3) Combining WTT and TTW into well-to-wheel (WTW) data (4) a cost assessment, including indirect as well as direct costs. in TTW part, Environment Canada and VTT studied 21 buses. The fuels covered diesel, synthetic diesel, various types of biodiesel fuels, additive treated ethanol, methane and DME.
City bus NOx and PM emissions Nylund et al. http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2012/t46.pdf
City bus NO2 emissions Nylund et al. http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2012/t46.pdf
Results The largest variations and uncertainties for the WTT CO 2eqv emissions differences in the biofuel chains, the regions, raw materials and the technology choices. Over the last 15 years, regulated emissions have reduced by 10:1 and particulate numbers 100:1. The most effective way to reduce regulated emissions is to replace old vehicles with new ones. Hybridization or light-weighting reduce fuel cons. 20 30%. The driving cycle affects regulated emissions and fuel consumption by a factor of 5:1. The fuel effects are max. 2.5:1 for regulated emissions, but as high as 100:1 for WTW GHG. ->most effective to cut GHG is to switch from fossil fuels to efficient biofuels. WTW energy use varies a factor of 2.5:1.
Julkaisut Nylund, Nils-Olof and Koponen Kati. 2012. Fuel and Technology Alternatives for Buses, Overall Energy Efficiency and Emission Performance. P. 294 + app.94 p. http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2012/t46.pdf