Characteristics of Bioethanol Fuel Obtained From LignocelluloseI Biomass in Internal Combustion Reciprocating Engines With Spark- and Compressioignition

Abstract

It can be claimed about the use of bioethanol produced on the basis of lignocellulose raw material under Estonian conditions that: 1. The amount of fuel produced from one hectare of natural grasslands is seven times lower than using other crops (grain, maize, etc.). The production technology must be improved and Estonian University of Life Sciences will work in this direction. 2. All of the raw materials must be utilised in the production of bioethanol, for example, by converting production residues to biogas. 3. The production and use is rational for agricultural companies due to the amounts of raw material and location and bioethanol yield, which is quite limited. 4. Lignocellulose bioethanol can be used to cover up to 10% of the need for diesel fuel in agriculture, if only green biomass is used as the raw material. The biogas produced from production residues can be used in stationary equipment (heating furnaces and generators). 5. Depending on the chemical and physical properties of bioethanol, it is reasonable to use an additional fuel supply system (device), the prototype of which has been developed within this thesis (Patent Application: P201100021). The pretests have been performed and the device is being developed further. The need for an additional fuel supply system was indicated by the durability tests which revealed fuel supply system wear. 6. While using lower concentration bioethanol (70% by volume) the residues do not have significant influence on the engine power and economic parameters. 7. The use of 60% bioethanol resulted in the relative cost of fuel reducing by 14.4% in comparison with the use of 90% bioethanol. When using bioethanol with 90% concentration, the engine needs 21% of the total consumed fuel to be diesel fuel; at the same time 60% bioethanol requires 36% diesel fuel. 8. Special engine tests must be run with a specific engine being studied to evaluate the use of bioethanol in internal combustion engines. The graphs presented in this thesis cannot be used for evaluating engines with different designs. Universal additional fuel supply device must be developed and an engine specific fuel portfolio must be prepared. The engine testing laboratory of Estonian University of Life Sciences has all the necessary measuring equipment for performing tests.

Kirjanduse (BP Statistical Review of World Energy June 2011) põhjal on bioetanooli tootmise kasv kõige suurem Põhja-, Lõuna- ja Kesk- Ameerikas. Ameerika mandri biokütuste tootmine moodustas kolm neljandiku kogu maailmas toodetavast biokütusest. Euroopas moodustas bioetanooli toodang 21,1% kogu biokütuste mahust 2010 aastal. Enamasti toodetakse bioetanooli toiduainetega konkureerivast toorainest (ILUC 2012), mida võib liigitada esimese põlvkonna tootmistehnoloogiate hulka. Eestis puudub bioetanooli tootmine sisepõlemismootori kütusena. Uurimuse käigus teostatud analüüsi põhjal on rohtsest biomassist saadava bioetanooliga Eestis võimalik katta ca 10% kulutatavast diislikütuse kogusest põllumajanduses. Selliselt biokütust kasutades on võimalik täita direktiivi 2009/28/EÜ nõudeid. Bioetanooli hinda mõjutab tugevalt tooraine ja tehnoloogia valik. Kui kasutada tooraineks lignotselluloosset materjali (teise põlvkonna tootmistehnoloogiad), siis tootmisele tehtavad kulutused mõnevõrra suurenevad. Põhjuseks on eeltöötlusele tehtavate kulutuste suurenemine protsessis kasutatavate kemikaalide kõrge maksumuse tõttu. Kirjanduse (BioScopes, 2006; Etek Etanolteknik AB, 2010; Demirbas, 2009) põhjal on enamasti uuritud veevaba ja vähest vett sisaldavat etanooli (vee sisaldus 2%) kasutamist mootorikütusena. Madala kontsentratsiooniline bioetanool (talu etanool), mis sisaldab jääkaineid ei ole laialdast kasutamist ja uurimist leidnud. Madala kvalitaadilise bioetanooli tootmisel on võimalik kasutada lihtsamat tootmismeetodit, mis vähendab kulutusi tootmisele ja laiendab tootjate arvu. Lignotselluloossel toorainel põhineva etanooli tootmise märgatavat kasvu kinnitavad ka tuleviku prognoosid (IEA 2008). Doktoritöö eesmärgiks oli uurida madala kontsentratsioonilise bioetanooli kasutamise võimalusi sisepõlemismootori kütusena väikese ja keskmise suurusega põllumajandusettevõtetes. Sellest tulenevalt oli üheks alleesmärgiks leida minimaalne etanoolsegu kontsentratsioon, millega mootor töötab rahuldavalt testplaani ülekoormuspiirkonnas. Analüüsida uuritava kütusesegu võimalikke kasutusviise ja nende mõju diiselmootori põlemisprotsessile. Küttesegu koostise hindamisel kasutati kvalitatiivseid ja kvantitatiivseid segumoodustusviise. Kütusekomponentide kvantitatiivne vahekord ja nende kasutusvõimalused diiselmootoris määratakse kindlaks erinevate segumoodustusviiside optimeerimise teel. Pakuti välja kohalik alternatiivkütuse koostis ja hinnati selle kasutusmeetodit mootormeetodil. Alternatiivkütuse füüsikalis-keemilisi omadusi hinnati 98 mootori põlemisprotsessi indikaatornäitarvude ja mootori väljundparameetrite mõõtmise teel. Töös on esitatud tehnilised soovitused kohaliku alternatiivkütuse koostamiseks ja selle kasutamiseks diiselmootoris. Doktoritöö tulemused on kokkuvõetult järgmised. 1. Jääkainete mõju bioetanooli kasutamisel. Madalama kvaliteediliste etanoolkütuste kasutamisel jääkainete sisaldus ei avalda määravat mõju mootori väljundparameetritele. Eelkatsetusi valitud mootori ökonoomsuslike ja võimsuslike parameetrite hindamiseks võib teostada destilleeritud veega lahjendatud etanooli kasutades imiteerimaks nn alternatiivset etanooli. Kvaliteetse etanooli lahjendatud segude kasutamine mootorkatsetel vähendab tunduvalt kulutusi. Samas heitgaaside sisalduse määramisel ja hindamisel tuleb teostada katsed alternatiivse etanooliga, mida kavatsetakse mootoris kasutada. Edasistes uurimustes heitgaaside osas on tarvis teostada täiendavaid uurimusi madalma kontsentratsiooniga etanooli kasutamisel, kuna ei ole teada jääkainete mõju heitgaasidele ja keskkonnale. 2. Tulemused survesüütega mootoris D-120 erineva kvaliteediklassiga etanoolkütuse kasutamisel on järgmised: 1) mootor töötab rahuldavalt 96 % etanool lisandkütusega kuni tunnikuluni Bf.et = 4,8 kg h-1; 2) 96 % etanoolkütuse kasutamise korral võib diisli- ja etanoolkütuse vahekord kasvada suhteni 1:4; 3) mida suurem on etanoolkütuse kontsentratsioon, seda suurem on mootori efektiivkasutegur; 4) etanoolkütuse lisamisel väheneb mootori efektiivkasutegur lineaarselt; 5) mootor töötab maksimaalsel koormusrežiimil suuremate pilootpritse koguste korral 60 % etanool lisandkütusega rahuldavalt kuni 4,5 kg h-1; 6) 60 % etanoolkütuse kasutamise korral on mootori efektiivkasutegur ca 10 % väiksem, kui 96 %-lise etanoolkütuse korral. 3. Katsetes diiselmootori kõrgsurvepumba UTN 5A väljundparameetritele ja toiteaparatuuri alasüsteemide detailidele selgus, et: 1) pumba sektsioonide tootlus etanooli korral ei muutu oluliselt samade toiteaparatuuri tööparameetrite juures, võrreldes diislikütuse kasutamisega; 2) etanooliga töötamisel ei ilmnenud olulisi tööpindade kahjustusi, mis võiksid mõjutada toiteaparatuuri tootlust ja töökindlust; 3) mõõdetud töödetailide geomeetriline ümarus üldjuhul paranes. Sellest saab järeldada, et etanooli keskkond sobib uurimuses käsitletud detailide sissetöötamiseks; 4) madala viskoossuse tõttu, antud tüüpi kõrgsurvepumba kasutamisel, satub etanool läbi plunžripaaride määrdeõli hulka; 5) etanooliga töötanud toiteaparatuuris, mis on pikemaks ajaks seisma jäänud, on tööpindade korrodeerumise oht suurem kui diislikütusega töötanud aparatuuri puhul. 4. Doktoritöö käigus töötati välja kolbmootori küttesegu moodustamise meetod ja põimtoitesüsteem (patent EE 05665 B1) ja sellele vastava SPM-i lisatoitesüsteemi esialgne prototüüp. Eesmärk süsteemi arendamisel on kasutada erinevate omadustega vedelaid biokütuseid sisepõlemismootoris. Lisatoitesüsteem on sobiv, kui soovime kasutada bioetanooli olemasolevas masinapargis. Sellisel juhul jääb ära probleem mootori käivitamisel madalatel temperatuuridel, mis on tingitud etanooli omadustest. Samuti ei pea muretsema bioetanooli madalama määrimisvõime ja suurema korrosiooni mõjust toiteaparatuurile võrreldes diislikütusega. 5. Bioetanoolkütuse hind kujuneb sõltuvalt kontsentratsioonist ja on leitav arvutusliku mudeliga. Mudel võimaldab hinnata, milliseks kujuneb bioetanoolkütuse suurim piirhind võrreldes tavakütuse hinnaga tingimusel, et kulutatud bioetanoolkütuse maksumus 􀜥􀯙􀯕􀯜􀯢 oleks väiksem tavakütuse maksumusest 􀜥􀯙􀯥􀯘􀯚􀀃sama töö tegemisel. Lisaks on võimalik hinnata kuidas muutuvad vajalikud kütuste kogused, kui võetakse kasutusele bioetanoolkütus kas täielikult või osaliselt. Etanooli kontsentratsiooni muutudes on hinna vahe 􀎿􀜿􀯙􀇡 muutuv. Kui madalama kontsentratsioonilise bioetanooli (60 %) kasutamise piirhind langeb võrreldes kõrgema kontsentratsioonilise bioetanooli (90 %) kasutamisega 28,4 %, siis tootmishinna 100 langus 50 %-ga on tunduvalt suurem. Seega võib väita, et madalama kontsentratsioonilise bioetanooli tootmine uuritavatel tingimustel on mõistlik. Samas tuleb arvestada, et kasutades madalama kontsentratsioonilist bioetanooli vajab survesüütega mootor suuremat diislikütuse kogust. Kasutades 90 %-list bioetanooli vajab mootor 21 % diislikütust kogu tarbitud kütuse kogusest, samas kasutades 60 %-list bioetanool vajab mootor 36 % diislikütust. 6. Töö tulemusena võib öelda, et sõltuvalt bioetanooli omadustest, kohaliku masinpargi koosseisust ja keskkonna tingimustest on bioetanooli laialdane kasutamine mootorikütusena Eestis esialgu probleemne, kuid edaspidi reaalne. Toorainest lähtuvalt on mõistlik kasutada bioetanooli osana kütusesegust. Põllumajanduses on olemas piisav tooraine ressurss, kui soovitakse kasutada toorainena lignotselluloosset biomassi. Bioetanooli tootmine lignotselluloossest biomassist on mõistlik juhul, kui tootmisjääk väärindatakse biogaasiks. Uuringute tulemusel selgus, et bioetanooli ja biogaasi koostootmisel 11,5 % madalama tulemuse toodetava energia võrdluses, kui toota ainult biometaani. See ei ole halb tulemus võrreldes kirjanduse (FRN, 2011) põhjal saadud andmeid, kus on erinevus ca 47 % ning selge eelis on biometaani tootmisel (kasutades maisi ja teravilja). Masinpargi seisukohalt on samuti mõtekas bioetanooli kasutada osana tarbitavas kütuses, kuna kulutused masinpargile on lisatoitesüsteemi kasutades tunduvalt väiksemad, kui olemasolevate mootorite asendamisel etanooli mootoritega. Kasutades põllumajanduses survesüütega mootoreid, tuleb teostada ümberseadistus ja paigaldada lisatoiteseadmed. Lisatoiteseadmete paigaldamise eelis võrreldes mootori ümberehitamisega on vähem kulukas. Samuti säilib võimalus kasutada ainult põhitoitesüsteemi, kui biokütuse kasutamine osutub probleemseks kasutajast sõltumata (tooraine hinna või maksu muutused). Kasutades lisatoiteseadmeid jääb ära probleem diislikütuse segamisel etanooliga (üle 20%). Puuduseks on lisa (bio-) kütuse mahutile koha leidmine, kuid see probleem on tehniline ja seega lahendatav. SPM väljundparameetrite hindamisel on saadud paremaid tulemusi kasutades lisa toiteseadmeid, kus kütuse etteandeks kasutatakse nn fumigeerimismeetodit. Lisa toiteseadmete kasutamisel võrreldes biokütusesegu kasutamisel survesüütega mootoris vähenevad heitgaaside näitajad CO, HC ja tahmasuse osas ning suureneb termiline kasutegur. Seega on oluline arendada välja ja evitada universaalne lisatoitesüsteem. See arendustöö ei kuulunud andtud doktoritöö hulka, kuid andis tõuke sellealase tegevuse alustamiseks Eesti Maaülikooli tehnikainstituudi sisepõlemismootorite katselaboris.