Fot. KenWalker, MusÉe Des Arts Et Metiers, Picasa, HRS Strzelce

Autostrada daje korzyści energetyczne wtedy, gdy jadące nią samochody oszczędzają więcej paliwa niż zużyły go maszyny przy jej budowie

Historię motoryzacji liczy się od 1769 roku, w którym Nicolas Joseph Cugnot zbudował pierwszy pojazd parowy. Trudniej ustalić, kiedy zaczęła ona znacząco wpływać na środowisko naturalne w globalnej skali.

Obecnie samochody są najpopularniejszym środkiem transportu osób i towarów zarówno na krótkich, jak i na długich dystansach, a motoryzacyjna infrastruktura w postaci dróg, mostów, wiaduktów, tuneli i parkingów zmieniła radykalnie pierwotny krajobraz wszystkich zamieszkiwanych przez ludzi kontynentów.

Zjawisko to ma swoje negatywne strony, gdyż tego rodzaju budowle zakłócają poważnie naturalny tryb funkcjonowania przyrodniczych biocenoz, przez co stanowią zagrożenie dla wegetacji wielu gatunków fauny i flory. Największym jednak problemem są stałe, płynne i gazowe zanieczyszczenia emitowane przez spalinowe pojazdy i prowadzące do zatrucia całego ziemskiego środowiska naturalnego. Wzrostowi ilości eksploatowanych pojazdów oraz maszyn roboczych napędzanych silnikami spalinowymi towarzyszyła do niedawna proporcjonalnie rosnąca emisja spalin. Obecnie dąży się do jej planowego ograniczania za pomocą rozmaitych środków technicznych i prawno-ekonomicznych.

Miedziany kocioł pojazdu Cugnota rozgrzewany był nad ogniskiem. Nikt wtedy nie zwracał uwagi na ilość  i skład wydzielanych przez te konstrukcje spalin, dziś wielkie aglomeracje zasnuwa spalinowy smog...

Do głównych kierunków tych działań należy upowszechnianie paliw alternatywnych, a w szczególności tzw. biopaliw, czyli substancji powstających w drodze przetwarzania surowców roślinnych lub zwierzęcych. Ich przewaga nad analogicznymi produktami uzyskiwanymi z ropy naftowej nie wydaje się jednak w powszechnym odczuciu oczywista. W obu przypadkach bowiem mamy do czynienia z energią wytwarzaną dzięki procesom spalania, a więc z nieuchronną emisją gazów, par lub nawet pyłów. W dodatku surowce przetwarzane na biopaliwa, choć należą do odnawialnych źródeł energii, powstają jednak w wyniku energochłonnych technologii agrotechnicznych i przetwórczych, podczas gdy ropa czerpana jest bezpośrednio z naturalnych złóż. Czy rzeczywiście warto przed wyczerpaniem się jej zasobów inwestować w zastępcze materiały pędne spalane w tradycyjnych silnikach?

LCA - Life Cycle Assessment

Odpowiedź na tak postawione pytanie wymaga przeprowadzenia ekologicznej oceny cyklu życia porównywanych produktów według międzynarodowego standardu LCA (ang. Life Cycle Assessment).

Jest to technika oceny aspektów środowiskowych, badanie potencjalnych wpływów wyrobu w całym okresie jego istnienia, począwszy od pozyskania surowców, poprzez produkcję, użytkowanie, aż do likwidacji. Analiza taka umożliwia bezpośrednie porównywanie produktów o podobnym przeznaczeniu pod względem ich wpływu na środowisko naturalne. Wykorzystywane są w niej realne dane wejściowe i wyjściowe rozpatrywanego procesu energetycznego, a otrzymane wyniki umożliwią określenie konkretnego zagrożenia, jakie ten proces wnosi. W praktyce interpretacja danych LCA może być podstawą do prowadzenia prac nad ekologicznym doskonaleniem danego produktu na wszystkich etapach jego przetwarzania.

Analiza Ekologicznej Oceny Cyklu Życia uwzględnia cztery następujące etapy prac:

• ustalenie celu i zakresu badań,
• utworzenie zbioru wejść i wyjść (analiza bilansowa systemu),
• ocena wpływu na środowisko,
• interpretacja cyklu życia.

Porównywane paliwa

W przeprowadzonych pracach analityczno--porównawczych użyliśmy materiałów badawczych w postaci: standardowego oleju napędowego oraz mieszaniny oleju roślinnego z butanolem (opisanej przez P. Kardasza w jego pracy magisterskiej pt. „Analiza możliwości zasilania silnika o zapłonie samoczynnym mieszaninami olejów roślinnych i wybranych alkoholi”, Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny 2008).

Mieszanina ta jest odpowiednia do zasilania silników o zapłonie samoczynnym, gdyż charakteryzuje się wymaganą gęstością, lepkością oraz innymi właściwościami fizyko-chemicznymi, zbliżonymi do oleju napędowego. Pozwala to na jej stosowanie w silnikach produkowanych seryjnie, bez wprowadzania jakichkolwiek ich modyfikacji. Gazy powstające podczas spalania tej mieszaniny są o wiele „czystsze”, niż w przypadku paliwa konwencjonalnego. LCA oleju napędowego Do wyprodukowania jednostki funkcjonalnej oleju napędowego (10 m3) należy wydobyć 58,8 m3 ropy naftowej. Cały cykl życia 10 000 litrów ON pochłania 475,668 GJ energii, a emisje wybranych substancji do powietrza wynoszą:

Ekologiczny i energetyczny bilans zastępowania paliw mineralnych roślinnymi nie jest prosty ani jednoznacznie korzystny

CO = 235,376 kg

NOX = 944,921 kg

SOX = 83,287 kg

Czas spalania podanej ilości oleju napędowego wynosi 417 godzin.

Najbardziej energochłonny oraz mający największy wpływ na środowisko jest etap wykorzystania oleju napędowego do zasilania silników pojazdów. W czasie produkcji oleju napędowego najbardziej energochłonny oraz zanieczyszczający środowisko jest proces rafinacji ropy naftowej.

Produkcja oleju napędowego powoduje zwiększenie kwasowości wody i gleby oraz ich zubożenie biotyczne.

Dążąc do zmniejszenia energochłonności produkcji oleju napędowego, należy więc się skupić na procesie rafinacji ropy. Zmieniając technologię na tym etapie, można zmniejszyć ogólne zużycie energii, ograniczyć emisję tlenków siarki. Z analizy cyklu życia tego paliwa wynika też konieczność ograniczenia emisji szkodliwych substancji do atmosfery podczas jego spalania przez pojazdy.

LCA paliwa rzepakowo-butylowego

Do wyprodukowania jednostki funkcjonalnej mieszaniny oleju rzepakowego z alkoholem butylowym (stosunek objętościowy 2:3) należy zużyć 10 ton nasion rzepaku oraz 20,35 tony słomy rzepakowej. Cały cykl 10 000 litrów tej mieszaniny pochłania 370,616 GJ energii, a emisje wybranych substancji do powietrza wynoszą:

CO = 105,14832 kg, NOX = 920,03124 kg, SOX = 0,162 kg. Czas spalania 10 000 litrów wynosi 381 godzin.

Najbardziej energochłonny oraz mający największy wpływ na środowisko jest etap wykorzystania mieszaniny oleju rzepakowego i alkoholu butylowego do zasilania silników pojazdów.

Podczas produkcji tej mieszaniny najwięcej energii pochłania uprawa rzepaku. Znaczna część tej energii skumulowana jest w nawozach sztucznych i chemicznych środkach ochrony roślin. Trudno jest tę energochłonność ograniczyć, gdyż osiągnięcie założonego plonu (2500 kg z ha) wymaga zużycia takiej właśnie ilości środków. Emitowana jest też wówczas duża ilość CO oraz NOX, co wynika z dość długotrwałej pracy ciągnika rolniczego i kombajnu zbożowego.

Emisja SOX występuje jedynie w trakcie tłoczenia oleju rzepakowego. Wynika to z faktu, że podczas spalania mieszaniny w silnikach powstaje tak niewielka ilość tlenków siarki, że nie zostały one uwzględnione w danych porównawczych.

Wnioski

Dzięki przeprowadzonej analizie LCA można stwierdzić, że bardziej energochłonny jest proces produkcji i zużycia oleju napędowego. Natomiast produkcja i zużycie mieszaniny oleju rzepakowego z alkoholem butylowym (stosunek 2:3) odznacza się większą emisją tlenków azotu. Niewątpliwą zaletą mieszaniny oleju rzepakowego z alkoholem butylowym jest brak jej wpływu na zubożenie biotyczne wód i gleb. Inne jej przewagi nad olejem napędowym nabiorą jeszcze większego znaczenia w przyszłości, wraz ze zmniejszaniem się zasobów ropy naftowej na świecie.

Ekologiczna ocena cyklu życia jest jednym z ważniejszych narzędzi wspomagających podejmowanie decyzji dotyczących ochrony środowiska. Stosowanie techniki LCA ułatwia bowiem znalezienie optymalnego rozwiązania, mającego na celu minimalizację wpływu eksploatowanych pojazdów z silnikami spalinowymi na środowisko naturalne.

Literatura:

[1] Kulczycka J., Ekologiczna ocena cyklu życia LCA nową techniką zarządzania środowiskowego, 
Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią

Autorzy
Mgr inż. Piotr Kardasz	Prof. dr hab. Inż. Lech Sitnik	Mgr inż. Kazimierz Szuberski	Inż. Piotr Haller
Politechnika Wrocławska

Tweet

Piotr Kardasz
Politechnika Wrocławska