Mitä polttoaineita moottoreihin tulevaisuudessa? Energian käyttö ja säästö maataloudessa Helsingin yliopisto, Maataloustieteiden laitos Seppo Mikkonen Neste Oil seppo.mikkonen@nesteoil.com Monenlaisia moottoreita... Pienet moottorit sahat, ruohonleikkurit,... 2-tahtibensiinimoottori jos korkea teho/paino tärkeä 4-tahtibensiinimoottori jos paino ei tärkeä ja oltava halpa bensiini, pienmoottoribensiini korkea-%-etanoli (85 %) tuskin mahdollinen 2-t-moottoreihin akkukäytöt lisääntyy Isot moottorit traktorit, työkoneet,... dieselmoottori = sivistyneen maailman ammattikäyttö fossiiliset ja bioperäiset nestemäiset dieselpolttoaineet kaksoispolttoainemoottori: biokaasu + dieseltyyppinen polttoaine biokaasumoottori sytytystulpilla, iso polttoaineenkulutus, lyhyt ajoaika/tankkaus 2 1
Mikä vaativin dieselkäyttö polttoaineen laadulle? 3 Mikä vaativin dieselkäyttö polttoaineen laadulle? Täysi momentti X minuuttia ellei pitkä ylämäki Alpeilla ajoviimaa riittää Joutokäynti X minuuttia paitsi nosturi tms. Tuore siisti polttoaine Täysi momentti XX tuntia lämpökuormat, jäähdytys Joutokäyntiä X tuntia käy kylmänä suutinkarstat katalysaatt. ja hiukkassuod. tukkeent. moottoriöljyn laimenema Täysi momentti XX minuuttia jäähdytys Joutokäynti X minuuttia Polttoaineen tankkausjärjestelyt? Täysi momentti XX tuntia lämpökuormat, jäähdytys Pysäköinti 11 kuukautta polttoaineen säilyvyys polttoainejärj. likaantuminen, korroosio 4 2
Tarpeet Toimivuus 1. Välitön mm. kylmäkäynnistys talviajo (... - 35 C) Korrelaatio Polttoaineen ominaisuudet EN 590 diesel / moottoripolttoöljy setaaniluku suodatettavuus, samepiste 2. Kestävyys mm. ruiskutuslaitteet likaantuminen, korroosio katalysaattori, hiukkassuod. voitelevuus, viskositeetti säilyvyys, lisäaineet, vesi fosfori, tuhka, rikki 5 Polttoainevaatimukset, esim. rikki alas Dieselmoottorien ja polttoaineiden evoluutio Kiristyvä suunta Moottorien vaatimukset Rikkipit. 500 mg/kg Euro II * 350 mg/kg Euro III 10 mg/kg 50 mg/kg Euro V Hiukkassuodatin Euro IV Katalysaatt. Parempi polttoaine auttoi vähentämään hiukkaspäästöjä Bio: HVO, BTL Euro VI Kestävyys km Moottorialan huoli biopolttoaineista Parempi polttoaine ehto EGR:n, katalysaattorin ym. toiminnalle 1995 2000 2005 2010 2015 2020 *) Euro = kuorma-autojen päästötekniikka, työkoneissa portaat muutama vuosi myöhemmin 6 3
Biopolttoaineita Perinteinen biodiesel FAME = Fatty acid methyl ester RME = Rapeseed methyl ester kasviöljy + 10 % metanolia myös eläinrasvat käy valmistus pienmittakaavassa mahdollinen tuotelaatu: nykymoottorit, tulevat moottorit, talvi? Kasviöljy (ilman esteröintiä) vaatii erikoismoottorin pakokaasujen terveyshaitat tuotelaatu: nykymoottorit, tulevat moottorit, talvi? Vetykäsitelty kasviöljy HVO = Hydrotreated vegetable oil mm. Neste Oil NExBTL myös eläinrasvat käy vetykäsittely prosessiteollisuutta hyvä moottorille pienet pakokaasuhaitat BTL puusta, biomassasta koetuotantoasteella Biokaasu paljon energiaa/ha tai jätteistä ei voi varastoida erikoismoottori, erikoisajoneuvo 7 Dieselmoottoripolttoaineiden ominaisuuksia (100 %) Diesel FAME RME HVO Kasviöljy Merkitys Standardilaatu EN590 EN14214 CWA 15940 DIN 51605 Kiehumisalue ( C) 180... 360 340... 370 180... 320 Korkea Ruiskutustapahtuma Moottoriöljyn rasittuminen Viskositeetti (mm 2 /s) 3 4,5 3 40 Ruiskutustapahtuma Virtaaminen putkissa Rikki (mg/kg) <10 * <10 <10 <10 Katalys. & hiukkassuod. ikä Fosfori (mg/kg) Säilyvyys 0 Hyvä < 4 Haaste 0 Hyvä < 12 Haaste Katalys. & hiukkassuod. ikä Karstat Polttoainejärj. likaantuminen Kylmäkäyttö ( C) - 5... - 35 0... -10-5... - 35 0... -5 *) EU 1.1.2011: Dieselpolttoaine tai moottoripolttoöljy pakollinen 8 4
EN590 dieselin (moottoripolttoöljyn) säilyvyys Fossiilinen säilyy X vuotta (ei huolenaine, ei tarvetta edes määritellä X:ää) jos liian kylmä, korjaantuu lämpimässä Fossiilinen + biodiesel (max 7 %) nykyinen sallittu laatu EU:ssa säilyy X kuukautta?? tavoite normaali autokäyttö: uusi erä usein huoltoasemalle, auto tankataan usein, ajetaan lähes jatkuvasti (tavoite X 6 kk?) Saksa: ei varavoimaloihin, ei armeijalle hajoamistuotteita => tukkii paikkoja, suuttimia jumiin, korroosiota jos liian kylmä, ei ehkä korjaannu lämpimässä 2... 5 % RME: talviong. Ruotsissa (RME oli standardin mukaista) Fossiilinen + HVO säilyy X vuotta jos liian kylmä, korjaantuu lämpimässä 9 Biopolttoaineiden puhdas palaminen = Myytti 100 % FAME NO x + 10 % hiukkaset vähenee (lämpimällä moottorilla) 100 % kasviöljy ilman esteröintiä (henkilöautokoe Englanti) esilämmitys +80 C jotta viskositeetti kelvollisempi moottorille CO 4-kertainen HC 4-kertainen hiukkaset 2-kertaiset PAH 10... 20-kertaiset (osa PAH:eista syövän aiheuttajia) 100 % HVO NO x - 7... - 14 % hiukkaset - 28... - 46 % PAH vähenee huomattavasti Moottori ei tiedä onko polttoaineen hiili bio vai fossiili, polttoaine saatava palamaan hyvin riippumatta siitä mistä tehty 10 5
Lämmitetty kasviöljy modifioituun dieselmoottoriin Spesifikaatio P (mg/kg) Mg + Ca (mg/kg) Mg (mg/kg) Ca (mg/kg) Saksa DIN 51605 < 12 < 20 Päivitysehdotus CEN CWA WS 56 (John Deere ym. 2010) < 3 < 1 < 1 P, Ca, Mg, Na, K myrkyttävät katalysaattoria tuhkanmuodostus tukkii hiukkassuodattimen ennen aikojaan heikentää katalysaattorin ja hiukkasuodattimen kuumuudenkestoa suutinongelmia Pääseekö polttoaineen pienvalmistus riittävään laatuun? Uusia ja tulevia moottoreita ei korjata kotikonstein! 11 Tavoite? 1. Tila- tai kyläkohtainen energiaomavaraisuus haasteet: polttoaineen laadunhallinta versus moottorien vaatimukset etenkin uusi ja tuleva moottori- ja pakokaasutekniikka ellei hyväksytty polttoaine, harmeja tulee, takuut raukeaa talvikäyttö, myös seoksina, sillä seoksissa huonompi hallitsee 2. Tuotanto energiateollisuudelle isoista prosesseista hyvä tuotelaatu kehnommastakin raaka-aineesta täyttää kansallista biovelvoitetta, joka jyvittyy öljy-yhtiöiden velvoitteiksi bion veroedut autopolttoaineeksi myytäessä vähennettävä kasvihuonekaasuja selvästi (>35 % 2011..., >50% 2017) kuljetettaessa nestettä rahtien energiankulutus pieni suhteessa loppukäytön lämpöarvoon kuljetettaessa biomassaa (puu, hake, olki) rahtien energiankulutus voi nousta merkittäväksi 12 6