Stale wzrastające zapotrzebowanie na ropę naftową, która jest obecnie podstawowym źródłem energii dla pojazdów samochodowych, sprzyja poszukiwaniu alternatywnych źródeł energii i wdrażaniu alternatywnych układów napędowych pojazdów.
 
Szereg działań podejmowanych na całym świecie w ostatnim dwudziestoleciu, których cele są związane przede wszystkim z zapewnieniem bezpieczeństwa energetycznego i właściwie pojmowanej ochrony środowiska dla przyszłych pokoleń, obejmuje swym zakresem prace nad technologiami efektywnego pozyskiwania i spalania paliw z gazu ziemnego, biomasy oraz węgla.
Zastąpienie paliw ropopochodnych jakimkolwiek paliwem alternatywnym wymaga przeprowadzenia wnikliwej i rzetelnej analizy, która powinna ocenić jego zgodność z pewnymi istotnymi kryteriami.Porównując kilka paliw, które mogą zastąpić te ropopochodne (metanol, etanol czy paliwa wytwarzane metodą Fisher-Tropscha), eter dwumetylowy – DME wydaje się tym, które posiada największe szanse na upowszechnienie.
 
Kryteria przydatności paliw
W latach 90., ze względu na bardzo małe zainteresowanie paliwami alternatywnymi, do oceny ich przydatności do napędzania pojazdów wykorzystywano wyłącznie takie kryteria jak: emisja składników toksycznych, emisja CO2, gęstość zmagazynowanej na pojeździe energii, koszt dodatkowego przystosowania pojazdu lub jego silnika, koszt paliwa oraz koszty związane z budową infrastruktury1, 2. Kryteria te były wystarczające dla prawidłowego przebiegu wielu prac wdrożeniowych, obejmujących wykorzystanie paliw gazowych, w szczególności gazu ziemnego i mieszaniny gazów ropopochodnych do napędu pojazdów samochodowych. Mając na uwadze obecny stan wiedzy w zakresie rodzajów technologii wytwarzania i oczekiwań społecznych, kryteria poszerzono, a ich propozycje przedstawiono w tabeli 1.
 
Tab. 1. Kryteria oceny przydatności paliw alternatywnych3
 
Kryterium
Warunki konieczne do spełnienia
Dostępności
Czy wytwarzanie paliwa jest korzystne? Jaka jest zdolność wytwarzania? Czy istnieje jakakolwiek linia produkcyjna? Jaki surowiec jest materiałem wyjściowym do produkcji: paliwo kopalne czy paliwo odnawialne?
Ekonomiczności
Jaki jest koszt produkcji i dystrybucji? Jaki jest koszt zwiększenia zdolności produkcyjnych? Jaki jest koszt surowca wyjściowego do produkcji? Jaki jest koszt związany z udoskonaleniem istniejących linii technologicznych, jeśli istnieją? Jaki jest koszt wprowadzenia nowych technologii wytwarzania?
Oddziaływania na środowisko
Czy nowe paliwo lub jego udoskonalona postać jest bezpieczna w dystrybucji? Czy występuje jakiekolwiek ryzyko zagrożenia dla ludzi lub zwierząt?
Akceptacji
Jak dalece nowe paliwo wpływa na efekt cieplarniany? Jakiego oddziaływania na środowisko można się spodziewać w przypadku bardzo szerokiego zakresu wykorzystania tego paliwa?
Bezpieczeństwa energetycznego
Czy surowce do wytwarzania paliwa są łatwo dostępne i możliwe do przetwarzania bez konieczności importu?
Technologiczne
Czy są odpowiednie skomercjalizowane lub opracowane technologie wytwarzania paliwa?
Czy sprawność tych technologii jest zadowalająca?
Uniwersalności
Czy nowe paliwo daje możliwości wszechstronnego zastosowania (np. zapewnia ogrzewanie, gotowanie, zasilanie silników pojazdów, wytwarzanie energii elektrycznej, wytwarzanie wodoru dla ogniwa paliwowego)?
Czy nowe paliwo może być wytwarzane z różnych surowców energetycznych (np. z węgla, gazu ziemnego czy też biomasy)?
 
Nasze oczekiwania wobec paliwa alternatywnego nie powinny znacznie odbiegać od możliwości, które zapewniają wykorzystywane obecnie paliwa ropopochodne.
DME spełnia większość istotnych kryteriów, co przy uwzględnieniu: wszechstronności jego wykorzystania (ogrzewanie, gotowanie, wytwarzanie energii elektrycznej, paliwo silnikowe) oraz dostępności tanich i prostych technologii jego wytwarzania, także z biomasy, czyni ten nośnik energii konkurencyjnym dla paliw konwencjonalnych.
 
Właściwości paliw
Wykorzystywane obecnie paliwa silnikowe są mieszaniną węglowodorów o bardzo szerokim zakresie temperatury wrzenia i szybkości spalania. W tabeli 2 porównano paliwa konwencjonalne i alternatywne, uwzględniając ich temperaturę wrzenia, a także prawdopodobny kierunek ich zamiany. Paliwami o niskiej temperaturze wrzenia są metan i mieszaniny gazów ropopochodnych, wykorzystywane do zasilania silników ZI. Paliwom tym odpowiadają dwa inne paliwa o podobnej lotności, tj. wodór i eter dwumetylowy (DME). DME ma temperaturę wrzenia odpowiadającą mieszaninie gazów ropopochodnych, a jego wysoka liczba cetanowa umożliwia jego wykorzystanie do zasilania silników ZS4.
 Tab. 2. Zestawienie paliw silnikowych, konwencjonalnych i alternatywnych i przewidywana ich zamiana5
 
Paliwo konwencjonalne
Paliwo alternatywne, przyszłościowe
CNG
H2
LPG
DME (przede wszystkim jako paliwo dla silników ZS)
Benzyna
Etanol, etery ETBE i inne
Nafta (Kerozyna)
Kerozyna ze skroplenia gazów
Olej napędowy
FAME, FAEE, olej napędowy ze skroplenia gazów,
Oleje ciężkie
Olej pirolizowy, biodiesel, Oleje otrzymywane technologią hydrotermicznego uzdatniania – HTU
 
Benzyna, kerozyna i olej napędowy są najbardziej rozpowszechnionymi paliwami, które w normalnych warunkach są cieczami o dużej kondensacji energii – ok. 40 MJkg-1. W przypadku pozostałych paliw ich stan skupienia i gęstości energii są bardzo różne, dlatego w tabeli 3 porównano je z paliwami konwencjonalnymi, wybierając ich najbardziej istotne własności.
 
Tab. 3. Porównanie własności fizykochemicznych wybranych paliw1
 
Parametr
Metan
Metanol
Eter dwumetylowy
Etanol
Wodór
Benzyna
Olej napędowy
 
CH4
CH3OH
CH3OCH3
CH3CH2OH
H2
C7H16
C14H30
Masa cząsteczkowa
[g/mol]
16,4
32,04
46,07
46,07
2,02
100,2
198,4
 
 
 
 
 
 
 
 
Gęstość
[g/cm3]
0,720
0,792
0,661 (ciecz)
2,057 (odparowany)
0,785
0,090
0,737
0,856
Temperatura wrzenia
[°C]
-162
64
-24,9
78
-252,9
17-220
140-380
Liczba oktanowa
130
104
–
105
130
80-100
–
Liczba cetanowa
–
–
55-60
–
–
–
40-55
Dolna wartość opałowa
[MJ/kg]
50,2
20,1
28,8
26,87
121,0
43,47
41,66
Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza
[kg/kg]
17,2
6,45
9,0
9,0
34,2
14,7
14,6
Temperatura zapłonu
[oC]
540-650
385
350
365
400
228-300
150-250
Prędkość spalania
[cm/s]
30-33,8
52
42,9-61
 
min. 271
30-60
 
Zawartość węgla, wodoru i tlenu
[% masy]
75/25/0
38/12/50
52/13/35
52/13/35
0/100/0
86/14/0
86/14/0
Zawartość siarki
[ppm]
7-25
0
0
0
0
~200
~250
 
Wyróżniony w tabeli eter dwumetylowy (DME) jest eterem o najprostszej formule chemicznej, a jego własności fizykochemiczne są podobne do własności gazów ropopochodnych, propanu i butanu. Stanowi lotny związek organiczny, ale nie jest kancerogenny, teratogenny i mutagenny. Jego czas rozkładu w troposferze wynosi 5,1 dnia, a wskaźnik wpływu na globalne ocieplenie jest równy 1,2 roku (w dwudziestoletniej perspektywie), 0,3 (w stuletniej perspektywie) i 0,1 roku (w perspektywie 500 lat)6, 7. Można tym samych uznać, że oddziaływanie DME jest obojętne dla środowiska.
 
Wytwarzanie i dystrybucja DME
Eter dwumetylowy jest wytwarzany w procesie technologicznym obejmującym dwie fazy. W pierwszej gaz syntetyczny jest przetwarzany na metanol, a w drugiej poprzez odwodnienie metanolu uzyskuje się eter dwumetylowy.
§Synteza metanolu:
CO + H2 <=> CH3OH, DHorxn= -90,3 kJmol-1
§Odwodnienie metanolu
2CH3OH <=> CH3OCH3 + H2O, DHorxn= 23,4kJmol-1
§Przemiana woda gaz
H2O + CO <=> H2 + CO2, DHorxn= 40,9kJmol-1
§Net reakcji
3H2 + 3CO <=> CH3OCH3 + CO2, DHorxn = 258,6 kJmol-1
Ponieważ do wytwarzania gazu syntetycznego mogą być wykorzystane takie surowce jak gaz ziemny, węgiel, a biomasa, nie występują jakiekolwiek ograniczenia w źródłach pozyskania DME. Procesy technologiczne wytwarzania DME, oparte na reaktorach autotermicznych i syntezie bezpośredniej są obecnie tematem wielu prac rozwojowych, a uzyskiwane wyniki praktycznie natychmiast komercjalizowane. Koszty (tab. 4) wytwarzania DME zależą przede wszystkim od kosztu surowca wyjściowego do produkcji oraz wydajności linii technologicznej.
 
Tab. 4. Koszty wytworzenia wybranych paliw
Jednostka
Gaz ziemnya
Benzynaa
Olej napędowya
Metanola
Etanola
DMEb
USD za GJ
przy LHV
4-7
6-12
6-12
5-17
12-17
5-14
a średnia cena w latach 2002-200520
b średnia cena przy wydajności linii technologiczne od 2500 do 5000 t/dzień, transporcie na odległość nie przekraczającą 6000 km, przy kosztach zakupu gazu ziemnego 1,5 USD/GJ 21
 
Japońska korporacja NKR, wytwarzająca DME za pomocą bezpośredniej syntezy gazu ziemnego, podaje, że przy cenie zakupu gazu ziemnego na poziomie 1,42 USD za GJ i kosztach transportu na odległość nieprzekraczającą 6000 km dla linii technologicznej o wydajności ok. 5000 t/dzień koszt DME wynosi 5,45 USD/GJ. Orientacyjne porównanie kosztów wytworzenia wybranych paliw przedstawiono w tabeli.
Ponieważ metanol, a w konsekwencji również i DME nie stanowią zasobów naturalnych, ich ceny są bezpośrednio uzależnione od ceny surowca wykorzystanego do ich wytwarzania. Rozwijające się dynamicznie technologie pozyskania DME z innych źródeł, a w szczególności z biomasy (BioDME) wpływają na stabilność ceny tego paliwa, uniezależniając ją od wpływu zmian cen gazu ziemnego.
 
Surowce wykorzystywane do wytwarzania DME

Infrastruktura niezbędna dla zapewnienia dostępności DME jako paliwa alternatywnego powinna uwzględniać zarówno jego transport (morski i drogowy), jak i stacje napełniania. Na świecie, a także w Europie istnieje bardzo rozwinięta w ostatnich latach infrastruktura dla gazów ropopochodnych, LPG. Infrastrukturę tę można bardzo łatwo przystosować do dystrybucji nowego paliwa, gdyż własności DME są podobne do własności gazów ropopochodnych. Magazynowanie DME, jego transport, a także wyposażenie stacji wymaga jedynie niewielkich modyfikacji, obejmujących przede wszystkim pompy, połączenia i uszczelnienia. Można, więc przyjąć, że wykorzystując istniejącą infrastrukturę LPG, w przeciwieństwie do wielu innych paliw alternatywnych DME nie wymaga budowy kompletnej infrastruktury od podstaw. Stosowanie DME jako wysokowydajne paliwo silnikowe, obniżające emisję NOx, SOx i cząstek stałych, może przyczynić się do znacznego zmniejszenia stopnia uzależnienia od ropy naftowej.. Ponadto DME umożliwia pozyskanie wodoru dla ogniwa paliwowego w nisko temperaturowym reformingu. Proces wytwarzania tego paliwa nie jest uciążliwy dla środowiska, a infrastruktura oraz transport nie stwarzają problemów, jakie występują w przypadkuinnych paliw alternatywnych (np. CNG, LNG, H2).

 

Źródła
  1.  Dykier M., Flekiewicz M.: Problemy zasilania pojazdów samochodowych gazem ziemnym. „Zeszyty Naukowe”. Seria: „Transport” 44/2002.
  2.  Flekiewicz M.: Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów samochodowych. Seminarium N.-T. „Gaz ziemny do pojazdów samochodowych”. Wrocław 2001.
  3. Wang M.Q., Huang H.S.: A full fuel-cycle analysis of energy and emission impacts of transportation fuels produced from natural gas. ANI/ESD-40. 2008.
  4. Sorenson S.C.: Dimethyl ether in diesel engines: Progress and perspectives. „J. Eng. Gas Turbines Power” 3/2001.
  5. Peterus L., Noordermeer M.A.: Biomass to biofuels, a chemical perspective. „Green Chemistry” 8/2006.
  6. Good D.A., Francisco J.S., Jain A.K., Wuebbles D.J.: Geophys. Res.” 103/1998.
  7. Good D.A., Hanson J.S., Francisco J.S., Li Z.J., Jeong G.R.: „J. Phys. Chem.” 103/1999.
  8.  Guo J.W, Niu Y.Q., Zhang B.J.: „Pet. Sci. Technol.” 16/1998.
  9. Haggin J.: „Chem. Eng. News” 69/1991.
  10.  Jia M.L., Li W.Z., Xu H.Y., Hou S.F., Yu C.Y., Ge Q.J.: „Catal. Lett.” 84/2002.
  11. Joo O.S., Jung K.D., Han S.H. Bull.: „Korean Chem. Soc.” 23/2002.
  12. Kim H.J., Jung H., Lee K.Y. Korean J.: „Chem. Eng. ” 18/2001.
  13. Lee S.H., Cho W., Ju W.S., Cho B.H., Lee Y.C., Baek Y.S.: „Catal. Today” 87/2003.
  14. Qi G.X., Fei J.H., Zheng X.M., Hou Z.Y.: „React. Kinet. Catal. Lett. ” 73/2001.
  15. Sardesai A., Gunda A., Tartamella T., Lee S.G.: „Energy Sources” 22/2000.
  16.  Sun K.P., Lu W.W., Qiu F.Y., Liu S.W., Xu X.L.: „Appl. Catal. A: Gen.” 252/2003.
  17. Takashi O., Norio I., Tutomu S., Yotaro O.J.: „Nat. Gas Chem.” 12/2003.
  18. Wang Z.L., Diao J., Wang J.F., Jin Y., Peng X.D. Chin. J.: „Chem. Eng.” 9/2001.
  19. Wang Z.L., Wang J.F., Diao J., Jin Y.: „Chem. Eng. Technol.” 24/2001.
  20. Spath P.I., Dayton D.C.: Preliminary Screening-Technical and Economic Assessment of Synthesis Gas to Fuels and Chemicals with Emphasis on the Potential for Biomass-Derived Syngas. NREL/TP-510-34929. 2003.
  21.  Yotaro O.: A new DME production technology and operation results. In 4th Doha Conference on Natural Gas. Doha. Qatar 2001.
 
dr inż. Marek Flekiewicz, Wydział Transportu, Politechnika Śląska
 

W II części artykułu przedstawimy właściwości DME jako paliwa silnikowego, jego zalety i wady oraz perspektywy stosowania.

 

     Dofinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej