Közúti közlekedési megújuló energia, E85 használat (flexi fuel gépkocsival, utólag beépített átalakítóval, vagy átalakító nélkül) Telekesi Tibor, Dr. Paár István Közlekedéstudományi Intézet Zöld Autó Központ 1119 Budapest. Thán Károly u. 3-5.; Tel.: 1/205-5949 e-mail: telekesi.tibor@kti.hu; i.paar@chello.hu Kivonat: A megújuló közlekedési energiák alkalmazása területén bevált lehetőség az E85 üzemanyag használat, amely alkalmazható erre a célra konstruált gépkocsival, átalakítóval felszerelt hagyományos gépkocsival, vagy átalakító nélkül, bizonyos részarányt tankolva. Cikkünkben bemutatjuk az egyes lehetőségek alkalmazása során feltárt energetikai jellemzőket. 1.BEVEZETÉS Megújuló energiaforrások azok az energiaforrások, amelyek felhasználása során a forrás mennyisége nem csökken, hanem természeti cikluson belül termelődik, illetve újratermelődik, megújul. A megújuló energiaforrások közé tartozik a napenergia, a szélenergia, a vízenergia, továbbá a bioüzemanyagok. Megújuló energiaforrások által előállított energia, ma még drágább, mint a fosszilis energiahordozók alkalmazásával előállítható energia. Az Európai Bizottság 2007 januárjában fogadta el az egységes energiapolitika megteremtését szolgáló rendelet. Ebben kimondják, hogy a megújuló energiaforrások részarányát az EU teljes energiafogyasztásában 2020-ig 20%-ra kell növelni. Magyarország részére 2020-ra 13%-os megújuló energiahordozó részarányt határoztak meg. A megújuló energiahordozók fontos szerepet töltenek be a közlekedési szén-dioxid-kibocsátás csökkentésében is. A megújuló tüzelőanyagok részarányának növelése a közlekedési szektorban, segíti a fenntartható közlekedést, növeli az ellátás biztonságát, ugyanakkor csökkenti a fosszilis energiahordozóktól való függőséget. A megújuló energiahordozókból előállított tüzelőanyagok fejlődését tekintve, a hosszútávon felvehetik, a versenyt a fosszilis energiahordozókkal. 2.NÖVÉNYI EREDETŰ TÜZELŐANYAGOK A két legismertebb növényi eredetű hajtóanyag a bioetanol és a biodízel. Mindkettőnek előnyös tulajdonsága, hogy elégetésükkor annyi CO 2 szabadul fel, amennyit a felhasznált növény korábban megkötött, ezáltal nem növeli az üvegházhatás mértékét. 2.1. BIOETANOL Nagy cukor- és keményítőtartalmú növények erjedésével alkohol állítható elő, amely belsőégésű üzemanyagként is használható. Az alapanyag többek között lehet búza, cukorrépa, cukornád, kukorica és burgonya is. Kevésbé elterjedt, de létező megoldás a növényi alapú biomasszából történő előállítás is. A legelterjedtebb motoralkohol a bioetanol. Használható közvetlenül tüzelőanyagként vagy benzinbe keverve is. Éterezéssel és egyéb kémiai folyamatokkal jelentős mennyiségben készítenek belőle ETBE-t (etil-tercier-butiléter) és MTBE-t (metil-tercier-butil-éter). Ezeket adagolják a benzinhez különböző arányban. Nagy mennyiségben állítanak elő bioetanolt az Egyesült Államokban, Európában és Brazíliában is. Csak az USA-ban 5 milliárd litert állítanak elő évente, amelynek egy részét ún. Strech-Fuel-ként (rugalmas üzemanyag) alkalmazzák. Ennek az üzemanyagnak csak 15% benzin, a többi bioetanol [1]. A jelenleg alkalmazott E85 és E100 jelű bioetanolok hátránya, hogy csak a hagyományos gépkocsi átalakítását követően használható. Oldószerhatású, ezért az üzemanyagszűrő és az üzemanyag szivattyúban az oldható alkatrészeket polyamid alkatrészekre kell cserélni. A hagyományos gumi tömítőelemeket az oldó hatás miatt ki kell cserélni. Le kell cserélni a kipufogócsöveket a megfelelő felületvédelemmel ellátott csövekre, mivel az ilyen fajta üzemanyag nagy vízgőz kondenzációja miatt korrodálhat a hagyományos felületvédelemmel kezelt kipufogórendszer. Meg kell oldani az üzemanyag tartály szigetelését is a keletkező benzinnél magasabb gőznyomás miatt. Hidegindításkor is problémák adódhatnak, ezért a motorvezérlést is újra kell hangolni. Mindezek ellenére jelentős előnyei is vannak. Használatakor a környezetet terhelő CO 2 kevesebb, mint a hagyományos motorhajtó anyagoknál tapasztalható érték és megújuló energiaforrásnak számít. 2.2 BIODÍZEL ÉS MÁSODIK GENERÁCIÓS BIOÜZEMANYAGOK Az első generációs biodízelt növényi olajt tartalmazó alapanyagokból, valamint étolajból és állati zsiradékból állítják elő észterezéssel. A növényi olajok, és zsírok
észterezésére azért van szükség, hogy a nehéz, viszkózus növényi olajok és zsírok viszkozitását csökkentsék, és alkalmassá tegyék belső égésű motorok üzemanyagaként való alkalmazásra. Az így előállított üzemanyag a FAME vagy zsírsav-metil-észter. Ez a bioüzemanyag felhasználható a hagyományos ugyan gázolaj helyettesítésére, de problémákat is okozhat. A biodízel kémiai stabilitása sokkal rosszabb, mint a fosszilis gázolajé, ez kokszképződést idéz elő a befecskendező rendszerben és egyes motor alkatrészeken, illetve észter tartalma miatt károsítja a gumi és műanyag alkatrészeket. A biodízel keverhető a gázolajjal, maximum 20% biodízelt tartalmazó B20-as üzemanyag gyakorlatilag bármelyik dízelmotorban problémamentesen, módosítások nélkül használható. Ennél magasabb bekeverési arány viszont csak a modern dízelautóknál alkalmazható módosítások nélkül, vagy kisebb módosításokkal. A biodízellel kapcsolatban hasonló problémák merülnek fel, mint az bioetanollal, nagyobb arányban bekeverve vagy tisztán alkalmazva károsítja a gépjárművet. Jelenleg Nyugat- Európában az a gyakorlat, hogy a benzinkutaknál külön kútfejnél lehet biodízelt vásárolni (B100). A bioetanolhoz hasonlóan a biodízel előállítására is komoly kutatómunka folyik a lignocellulózból előállítható második generációs biodízel gazdaságos gyártására a Fischer Tropsch eljárás alkalmazásával. BTL (biomass-to liquid), cseppfolyósított biomassza típusú üzemanyagot jelent és gyakorlatilag bármilyen biomasszából előállítható, azonban az előállítási költsége a jelenlegi feltételeket és árviszonyokat figyelembe véve 70 %-kal magasabb, mint az első generációs biodízelé. A hidrogénezett növényi olajok (HVO) alkalmazása másik lehetőség bioüzemanyag választékban. A második generációs bioüzemanyagok számos előnyt kínálnak. Hidrogénezett növényi olajoknak nincs káros hatása, mint az észtert tartalmazó biodízel üzemanyagoknak. Nagyobb arányban keverhető a hagyományos gázolajhoz, de akár tisztán is használható, alkalmazása nem károsítja a motor üzemanyag ellátó rendszerében. A benzint helyettesítő második generációs alkohol üzemanyag a butanol. A biobutanol alapanyaga ugyanaz, mint a bioetanolé. Kémiai és fizikai tulajdonságai azonban kedvezőbbek. A biobutanol energiatartalma gyakorlatilag azonos a benzinével. Ráadásul a benzin-motorban, átalakítás nélkül nagyobb arányban keverhető, de akár tisztán is használható, nem roncsolja a gépjármű üzemanyag ellátó rendszerét. Egyetlen hátránya, hogy a jelenleg a biobutanol előállítási költsége kb. 30 %-kal magasabb, mint az első generációs bioetanolé. 3.BIOÜZEMANYAGOK HASZNÁLATA Az bioüzemanyagok felhasználásának korlátai vannak. Az bioetanol részarányát a benzinben 10V% fölé növelve alkalmazástechnikai problémák léphetnek fel, ezért az autógyártók az európai szabványtól eltérő E10 (10V% bioetanol tartalmú) üzemanyaghoz más járműkonstrukciót gyártanak. Régebbi típusok esetén sem ajánlják magasabb bioetanol tartalmú üzemanyag használatát. A bioetanol 15-22% részarányú benzinbe keverése az eddig végzett (független) vizsgálatok nagy része szerint a belsőégésű benzinmotorban nem okoz károsodást, de 8-10% feletti aránynál a gyújtásszögön állítani kell. Ezt a legtöbb mai modern autóban már a motorvezérlő elektronika külső beavatkozás nélkül módosítja különböző érzékelők jelei alapján. Az etanol kenőképessége rosszabb a benzinénél, ami a befecskendező rendszer fúvókáira és az üzemanyag-szivattyú élettartamára kedvezőtlen lehet. A bioetanol a benzinnel ellentétben vezeti az elektromos áramot, ez is problémák forrása lehet, egy nyitott csatlakozókkal szerelt üzemanyagszivattyú esetében (1.ábra, [3]). A második generációs üzemanyagok mind alkalmazhatóság, mind energiatartalom alapján kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkeznek az első generációs bioüzemanyagoknál (1. táblázat). 1.Táblázat: Üzemanyagok energiatartalma Energiatartalom Üzemanyag MJ/l MJ/kg Benzin 32 43 Etanol 21 27 Butanol 27 33 Gázolaj 36 43 Biodízel 33 37 BtL 34 44 HVO 34 44 1. ábra A bioetanol használata esetén, azonos energia bevitelhez lényegesen nagyobb üzemanyag mennyiség, és így befecskedezési-idő, és/vagy fúvóka átmérő növelés szükséges 4. BIOETANOL ÜZEMANYAG Az E85 egy viszonylag új, környezetbarát üzemanyag, ami az arra alkalmas autókban benzin helyett használható. Az üzemanyag 85% bioetanolt és 15% benzint tartalmaz. Az alkohol üzemanyag 106-os oktánszámmal, viszont a benzinhez viszonyítottan kevesebb kb. 67%-nyi égéshővel
rendelkezik. Ezért bioetanolból a járművek többet fogyasztanak, viszont a magasabb oktánszám miatt az égés hatásfoka javítható. 2.Táblázat: Üzemanyagok néhány tulajdonsága Etanol Benzin Azonos mennyiség energia tartalma (%) 67 100 Égéshő (MJ/kg) 29,3 43,5 Oktánszám (ROZ) 106 95 Üzemanyag fogyasztás (%) 135-140 100 CO2 kibocsátás (%) 70-80 100 Probléma nélkül lehetséges az E85-ös üzemanyag felhasználása az úgynevezett FFV (flexible-fuel vehicle) gépjárművekben. Ezek képesek az etanol felismerésére és annak megfelelő elégetésére, valamint konstrukciójuknál fogva tűrik az erős korrozív hatását. Az éppen használt üzemanyag felismerését az autó motorvezérlő elektronikája automatikusan elvégzi az üzemanyag típus felismerő folyamat elindulása után. A folyamat akkor indul, ha az üzemanyag szintmérő egység mennyiség növekedést észlel. Az üzemanyag típus meghatározása a járműben épített szélessávú lambda-szonda jelei segítségével történik, a jelek alapján a motorvezérlő rendszer kiválasztja az aktuális üzemanyag keverékhez tartozó optimális paramétereket [3]. Egyébként a hagyományos gépkocsikban átalakítás nélkül is használható E85-ös üzemanyag. A benzin üzemű motorok az etanolt képesek elégetni, csak a kisebb égéshő miatt, azonos teljesítményhez több üzemanyag szükséges, illetve az alkohol károsíthatja az üzemanyag ellátó rendszer alkatrészeit. Kérdés, hogy milyen mértékben és mennyi idő alatt. Benzines autó E85-ös üzemanyagra történő átállításakor a legnagyobb kihívást a gyengébb égéshő miatti nagyobb üzemanyag mennyiség igény jelenti, amelyet az elktronika önmagában, un. Flexi-fuel kitt nélkül (2. ábra, 3. ábra) nem tud biztosítani. 3. ábra Az utólagosan beszerelhető átalakító elektronika az elektronikus üzemanyag befecskendező rendszert hangolja a bioetanolhoz. Az etanol kisebb energia tartalma, és rosszabb hidegindítási képessége miatt nagyobb mennyiségre van belőle szükség ugyanolyan teljesítmény eléréséhez, mint benzin esetében. A nagyobb mennyiség motorba juttatása megoldható a befecskendező fúvókák nagyobb keresztmetszetűre cserélésével (költséges) vagy a befecskendezési idő növelésével is. Vizsgálatainkhoz a piacon kapható etanol átalakítók közül a Bioetun V3 típusú készüléket választottuk. A Bioetun készülék az üzemanyag befecskendezési idejét növeli, alapbeállításban 27%-kal. Ez azt jelenti, hogy a készülék használatával a motor kb. 27%- kal (v/v) több üzemanyaghoz jut, mint készülék nélkül. A Bioetun a motorvezérlő elektronika és a befecskendező rendszer közé kerül beépítésre, így a motorvezérlő nem is tud róla, hogy átalakító van a rendszerben, és a lambda szabályzók segítségével végzi tovább feladatát (nem tudva, hogy most lényegesen nagyobb térfogat kerül befecskendezése). 5.ÜZEMANYAG FOGYASZTÁSI MÉRÉSEK E85-ből többet fogyaszt az autó. Energia tartalom alapján a benzinhez képest kb. 40%-kal több E85-re van szükség azonos teljesítmény eléréséhez. A méréseket Ford Mondeo FFV és Citroen C4 típusú autókon végeztük. Vizsgálataink során mértük a tesztjárművek üzemanyag fogyasztását. A Ford kifejezetten E85 üzemanyag használatára készült, de benzin és benzin-e85 keverékkel is használható. A Citroen benzin üzemű, melybe beépítésre került a fent említett etanol átalakító kit. A méréseket a Citroen esetében jármű-fékpadon is elvégeztük. Mértük a fogyasztást benzin, benzin és E85 50%- os keverék esetében átalakító nélkül, valamint 100% E85-öt és etanol átalakítóval. 2.ábra Fékpadi mérések esetében az üzemanyag fogyasztást a maximális nyomatékhoz és teljesítményhez tartozó fordulatszámokon 100%, 75%, 50% és 25%-os terhelési állapotokban mértük. Fogyasztási értékek meghatározása OBD-n keresztül történt. A pillanatnyi fogyasztási adatokon kívül, a pillanatnyi fordulatszám, sebesség, CO 2 kibocsátás,
megtett út, időegység alatti fogyasztás adatokat kerültek kiolvasásra, illetve rögzítésre. A kétféle mérési típus (nyomaték és teljesítmény maximum fordulatán) négy terhelési szinten (100%, 75%, 50% és 25%) mért üzemanyag fogyasztási értékeinek átlaga a különböző üzemanyagok esetében a 4. ábra szerint alakult. A 100%-os benzin üzemhez képest 11,2%-kal nőtt a fogyasztás 50% benzin-50% E85 keverék esetében, és 40,4%-kal tiszta E85 használatakor (átalakítóval) [2]. 6. ábra Az elvégzett mérések alapján gyárilag E85 használatára felkészített autó E85-ből 36%-kal fogyaszt többet, mint benzinből. 4. ábra Fékpadi méréseket követően a vizsgálatokat elvégeztük zárt pályán is. Ebben az esetben a mérések három sebességen történtek (50km/h, 80km/h és 120km/h), az eredmények a következő ábrán láthatóak (5. ábra). Méréseink során vizsgáltuk az E85 hatását a tesztjárművek teljesítményére. Mindkét autó esetében azt az eredmény kaptuk, hogy E85 használatával kismértékben nő a legnagyobb teljesítmény és a legnagyobb nyomaték. Citroen esetében a maximális teljesítmény és nyomaték 3,5%-kal nőtt, Ford FFV esetében a növekedés kisebb, a maximális teljesítmény 1%-kal a maximális nyomaték 2%-kal nőtt. E85 üzemanyagot használva mindkét autónál a maximális nyomaték kb. 7%-kal alacsonyabb fordulatszámon jelentkezett. 6.ÖSSZEFOGLALÁS Hazánkban egyre többen használják benzin helyett vagy azzal keverve az E85 bioüzemanyagot. A bioetanol benzinbe keverése 10 V%-ig, egyes vélemények szerint 20 V%-ig nem okoz problémát, azonban ennél nagyobb arányú keverék használata alkalmazástechnikai problémákat vet fel. Egyik ilyen probléma a többletüzemanyag motorba juttatása. Erre jelenthet megoldást az etanol átalakító kitt beépítése, de jelenleg használata jogilag rendezetlen. Rövid távú vizsgálataink során (1300-1500km) a tesztjárműben 50%-os benzin-e85 keveréket átalakító nélkül használva az etanol gumi és műanyag alkatrészeket roncsoló hatása nem jelentkezett, ez azonban nem jelenti azt, hogy idővel nem is fog. 5. ábra A fogyasztás növekedés E85 üzemanyag használata esetén a három sebesség értéken kapott mérési eredmények átlagát tekintve 40%. Valós körülmények között vizsgáltuk a flexi fuel (Ford Mondeo) autó üzemanyag fogyasztását is. A mérési eredmények (6. ábra) ebben az esetben is jelentős többletfogyasztást mutattak. Az E85 minden arányú használatakor többletfogyasztást regisztráltunk. A fogyasztásnövekedés 35-40% közötti volt, amely nagyságrendjét tekintve megfelel az etanol és benzin energia tartalom különbségének. A flexi fuel típusú gépjárművek tulajdonosi szempontból nem váltották be a hozzájuk fűzött reményeket. Ilyen gépkocsi vásárlása jelenleg nem olcsóbb és üzemeltetése sem gazdaságosabb, mint a hasonló kategóriájú benzin üzemű gépkocsiké. A közlekedésben felhasznált 10%-os megújuló energia részarány elérésében fontos szerepe lehet az E85 használatának. Ennek érdekében szükséges az átalakító rendszerek hatóságilag elfogadott feltételeinek kidolgozása.
FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Dr Paár István; Telekesi Tibor: A megújuló energiaforrásból előállított energia támogatásáról szóló 2009/28/EK irányelvben foglaltak megvalósítása a közlekedés területén; KTI témajelentés, Budapest 2010. [2] Dr Paár István; Telekesi Tibor: Citroen C4 típusú gépjármű üzemanyag fogyasztás változásának meghatározása benzin, benzin-e85 keverék és E85 üzemanyagok használata esetén; KTI munkaanyag, Budapest 2010. [3] Ford Magyarország, Műszaki továbbképzés, Alternatív tüzelőanyagos üzem