Możliwość wytworzenia DME z wielu surowców, jego własności fizykochemiczne, łatwość magazynowania i transportu decydują o stale wzrastającym nim zainteresowaniu i uznaniu go za paliwo XXI w.
Eter dwumetylowy jako substytut oleju napędowego jest wykorzystywany od połowy lat 90., a obecny potencjał produkcyjny umożliwia znacznie szersze jego zastosowanie1-3.
DME jako paliwo silnikowe
Oceniając przydatność DME jako paliwa silnikowego, wykazano, że doskonale nadaje się ono do silników ZS. Spala się bez sadzy, ma niską temperaturę zapłonu, a także doskonale odparowuje. Zalety te, potwierdzone wynikami wielu prac badawczych, są rezultatem braku bezpośredniego wiązania węgla w strukturze atomowej, a także obecności tlenu w tym wiązaniu, (ok. 35% udziału masowego). Właściwie zoptymalizowany system zarządzania procesem spalania DME wpływa ponadto na znaczne obniżenie emisji NOx. Jako dodatek do innych paliw DME może również zwiększać zakres ich zapalności, a jego mieszaniny można wykorzystywać w dwupaliwowych silnikach ZS, silnikach HCCI, CCCI, a także w silnikach ZI.
Własności DME w porównaniu z mieszaniną propanu i butanu są podobne, różnią się jedynie wartością opałową i liczbą oktanową. Wartość opałowa DME stanowi ok. 63% wartości opałowej butanu, co oznacza, że silnik musi otrzymać dwukrotnie większą dawkę paliwa w cyklu, aby rozwinąć tę samą moc (tab. 1).
Tab. 1. Wybrane własności fizykochemiczne DME i gazów ropopochodnych
|
DME
|
Propan
|
n-Butan
|
(CH3)2O
|
C3H8
|
C4H10
|
Gęstość gazu skroplonego
[kg/m3]
|
667
|
582
|
579
|
Masa cząsteczkowa [g/mol]
|
46,07
|
44,10
|
58,12
|
A/F
[kg/kg]
|
9,00
|
15,7
|
15,46
|
Ciśnienie parowania [kPa]
|
530
|
830
|
210
|
Temperatura wrzenia
[°C]
|
-25
|
-42
|
-0,5
|
Ciepło parowania
[kJ/kg]
|
467
|
370
|
358
|
Liczba cetanowa
|
55-60
|
5
|
–
|
Dolna wartość opałowa, LHV
[MJ/kg]
|
28,80
|
46,4
|
48,0
|
Zwiększone zainteresowanie DME jako paliwem silnikowym nastąpiło w Europie w latach 90., po opracowaniu tanich i prostych technologii jego masowego wytwarzania. Z kilkuletnim opóźnieniem prace nad jego wykorzystaniem do napędu pojazdów rozpoczęto w Japonii, a następnie w Chinach i Korei Płd. Wyniki zrealizowanych w tym okresie projektów badawczych stworzyły podstawy dla wdrożenia i rozwoju prototypowych pojazdów ciężarowych i autobusów napędzanych tym paliwem. W 1998 r. japońska firma Nippon Kokan w ramach projektu finansowanego przez Ministerstwo Infrastruktury i Transportu rozpoczęła badania eksploatacyjne samochodu ciężarowego, a rok później autobusu napędzanego DME. Obecnie w Japonii samochody ciężarowe i autobusy wytwarzają również takie firmy jak Nissan Diesel, Hindo Motors, Isuzu i Mitsubishi Motors.
W Europie zainteresowanie tym paliwem wykazała jedynie firma Volvo Truck Corporation, uruchamiając projekt wdrożeniowy DME do napędu samochodów ciężarowych. Obecnie bardzo zaawansowany projekt realizuje konsorcjum utworzone przez kilka firm (Volvo Truck Corporation, Chemrec, Delphi, Haldor Topsøe, ETC, Preem, Total) i jest on finansowany ze środków Siódmego Programu Ramowego UE, Szwedzkiej Agencji Energii oraz firm biorących w nim udział. Na potrzeby tego projektu Bio-DME jest wytwarzane z ługu czarnego, półpłynnego, wysokoenergetycznego produktu ubocznego w przemyśle celulozowym.
Rozważając wykorzystanie DME jako paliwa do napędu pojazdów konstruktorzy silników oraz pojazdów stanęli przed koniecznością pokonania szeregu barier technicznych, których podstawą są właściwości fizykochemiczne tego paliwa. Bariery te wyznaczyły zasadnicze kierunki badań, co przyczyniło się do wprowadzenia i upowszechnienia innowacyjnych rozwiązań konstrukcyjnych. Najbardziej istotne wzajemne powiązania pomiędzy właściwościami DME a wymaganiami zapewniającymi efektywne przetworzenie energii zawartej w paliwie, bezpieczeństwo eksploatacji pojazdu i jego trwałość przedstawiono na rysunku 1.
W silnikach ZS są obecnie stosowane dwa systemy spalania – pierwszy, wykorzystujący mieszankę powietrza i DME przygotowaną w kolektorze dolotowym silnika, i drugi, w którym DME jest wtryskiwane bezpośrednio do komory spalania. Oba systemy mogą być wykorzystane w układach zasilania jedno- lub wielopaliwowego. W zależności od zastosowanego systemu spalania realizowane są nie tylko odmienne strategie sterowania procesem spalania, ale również stosuje się odmienne w swej konstrukcji urządzenia i elementy układu zasilania.
Ponieważ DME stanowi gaz, który przy ciśnieniu zaledwie 5 bar przechodzi w ciekły stan skupienia, jest on magazynowany na pojeździe, podobnie jak LPG. Również pozostałe elementy i urządzenia układu zasilania jedynie nieznacznie różnią się od tych wykorzystywanych w pojazdach napędzanych LPG.
Układy zasilania silnika ZS DME są układami ciśnieniowymi, zapewniającymi utrzymanie tego paliwa w fazie ciekłej. DME jest wtryskiwane do komór spalania silnika również w fazie ciekłej, w ilości zapewniającej uzyskanie wymaganej ilość energii (rys. 2). Ciśnienia wtrysku DME w porównaniu z olejem napędowym są bardzo niskie, zawierają się w przedziale od 19 do 25 MPa (w przypadku oleju napędowego od 40 do 140 MPa). Niskie ciśnienie wtrysku wraz z optymalnie dobranymi strategiami dawkowania DME przyczyniają się do tego, iż współczesny silnik zasilany DME ma parametry nieustępujące silnikowi zasilanemu olejem napędowym, przy znacznie niższej emisji składników toksycznych w spalinach i mniejszych kosztach wytwarzania układu zasilania.
Dotychczas przeprowadzone badania eksploatacyjne wykazały, że emisja kontrolowanych składników spalin jest znacznie mniejsza dla silnika zasilanego DME. Porównanie emisji z oleju napędowego i DME z wymaganiami japońskiej normy dla silnika o pojemności skokowej 7,1 dm3 przedstawiono w tabeli 2.
Tab. 2. Wyniki pomiaru emisji składników toksycznych dla silnika [g/kWh]
|
CO
|
HC
|
NOx
|
PM
|
Wymagania normy Japanese Diesel 13-mode
|
2,22
|
0,87
|
3,38
|
0,18
|
Olej napędowy
|
3,17
|
0,89
|
4,26
|
0,17
|
DME
|
0,117
|
0,222
|
2,479
|
0,0102
|
Porównanie emisji DME i wymagań normy
|
-95%
|
-74%
|
-27%
|
-94%
|
Emisja CO2 z jednego kilograma paliwa jest dla DME o ok. 10% mniejsza w porównaniu z olejem napędowym i wynika z korzystniejszej dla DME wartości współczynnika H/C.
Uzyskanie dotychczas wyniki badań eksploatacyjnych pojazdów zasilanych DME pozwalają na określenie istotnych zalet i wad DME jako paliwa silnikowego.
Zalety DME
· W porównaniu z innymi paliwami alternatywnymi, przede wszystkim z gazem ziemnym i wodorem, magazynowanie DME na pojeździe, napełnianie zbiorników i transport tego paliwa są znacznie łatwiejsze, podobnie jak w przypadku LPG.
· Można uzyskać większą sprawność spalania, gdyż zdolność do zapłonu DME jest korzystniejsza niż dla oleju napędowego.
· Procesowi spalania DME nie towarzyszy dymienie, gdyż nie występuje w nim bezpośrednie wiązanie C-C.
· W procesie spalania DME nie powstaje SOx, ponieważ paliwo to nie zawiera siarki.
· Brak SOx i dymienia ułatwia dobór materiałów na katalizatory w układach oczyszczania spalin.
· Reaktywność fotochemiczna spalin jest niska, tym samym nie występuje ryzyko wytwarzania ozonu przyziemnego.
· W procesie przygotowania paliwa, jego tankowania, a także w pracach obsługowych i naprawczych nie występują zagrożenia, które mogłyby negatywnie oddziaływać na zdrowie człowieka.
Wady DME
· Wartość opałowa DME jest o połowę mniejsza w porównaniu z olejem napędowym, co powoduje dwukrotne zwiększenie ilości paliwa dostarczanej do silnika, w konsekwencji również zwiększenie pojemności zbiorników magazynujących paliwo na pojeździe. Równocześnie uniemożliwia bezpośrednie wykorzystanie tego paliwa do zasilania eksploatowanych już pojazdów z silnikami ZS.
· Zużycie elementów ruchomych układu paliwowego wzrasta wskutek mniejszej lepkości paliwa i gorszych jego własności smarnych.
· Możliwe jest występowanie uszkodzeń materiałów uszczelniających, mieszanek gumy naturalnej i syntetycznej, klei oraz żywic.
· Łatwość odparowania DME ze względu na niską temperaturę wrzenia, wymaga zastosowania małej liczy połączeń oraz właściwego uszczelnienia elementów i urządzeń układu zasilania.
Niska liczba oktanowa uniemożliwia wykorzystanie DME do zasilania silników ZI. W przypadku tych jednostek możliwe jest jednak wykorzystanie mieszanin LPG+DME z udziałem masowym DME nieprzekraczającym 30%.
DME, którego liczbę cetanowa jest wyższa od oleju napędowego, stanowi paliwo odpowiednie dla silników ZS. Spaliny jako produkt spalania pozbawione są zadymienia, gdyż paliwo to nie ma bezpośredniego wiązania C-C i zawiera tlen. Emisja tlenków azotu może być znacznie ograniczona właściwie sterowanym układem recyrkulacji spalin (EGR). Wykorzystanie DME obniża również hałas silnika z 5 do 10 dB. Niższe ciśnienia wtrysku decydują o zmniejszeniu kosztów bardzo drogich systemów zasilania typu CR.
DME można również wykorzystywać do zasilania silników ZS w mieszaninie z wieloma różnymi paliwami, w tym z olejem napędowym, a także olejami pochodzenia roślinnego.
Przyszłość DME jako paliwa silnikowego
Według Unii Europejskiej do 2030 r. Bio-DME może zastąpić olej napędowy w transporcie drogowym w ponad 50% pojazdów napędzanych silnikami ZS (EUCAR/CONCAWE/JRC 2005, Komisja Europejska). Dynamiczny rozwój technologii wytwarzania DME jako paliwa dla pojazdów samochodowych następuje w wielu krajach świata. W 2005 r. powstało konsorcjum rosyjsko-tureckie, które rozpoczęło prace nad opracowaniem tanich technologii wytwarzania DME, przede wszystkim z gazu ziemnego. W Chinach od 2000 r. uruchomiono kilka linii wytwarzania DME z węgla i metanolu. Wyprodukowane w ten sposób DME miesza się z LPG i wykorzystuje przede wszystkim w gospodarstwach domowych oraz do napędu silników ZI. W kraju tym rozwinięto również sieć stacji napełniania zbiorników pojazdów DME, która umożliwia eksploatację ok. 1000 autobusów. W Japonii konsorcjum, którego udziałowcem jest m.in. koncern naftowy Total, uruchomiło dwa duże zakłady wytwarzające DME, natomiast producenci pojazdów dysponują sprawdzonymi w długoletniej praktyce eksploatacyjnej samochodami dostawczymi, ciężarowymi i autobusami. Ponadto zainteresowanie tym paliwem, widoczne poprzez rozpoczęte ostatnio inwestycje ma miejsce także w Korei, Iranie i Egipcie. Projekty związane z wykorzystaniem DME jako paliwa silnikowego są realizowane również w Kanadzie i Stanach Zjednoczonych. Można więc założyć, że prowadzone na całym świecie inwestycje dotyczące linii technologicznych do wytwarzania DME będą sprzyjały większemu zainteresowaniu jego wykorzystaniem jako paliwa silnikowego. Ponadto rozwój technologii wytwarzania DME nie ograniczy się jedynie do jego pozyskania z surowców kopalnych (węgiel, gaz ziemny), lecz surowcem wyjściowym do produkcji (tak jak w przypadku Skandynawii) będzie również biomasa.
Źródła
1.Chapman E.M., Bhide S.V., Bochman A.L., Bochman L.I., Walter F.: Engine performance and emission from fuel blend of dimethyl ether (DME) and diesel fuel. AICHE Spring National Meeting. New Orlean, LA 2002.
2. McCandless J.: DME as an Automotive Fuel. Technical, Economic and Social Perspectives Energy Frontiers Conference. 2001.
3. Zannis T.C., Hountalas D.T.: „Energy Fuels” 18/2004.
dr inż. Marek Flekiewicz, Wydział Transportu, Politechnika Śląska
Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej |