Paliva

Pokud bychom měli definovat pojem palivo, dalo by se říci, že se jedná o chemické látky nebo jejich směsi, které mají za předem daných podmínek (tlak, elektrická jiskra, …) schopnost začít chemickou reakci spalování, během níž se uvolňuje chemická energie přeměňovaná na energii tepelnou, kterou je možné dále využít (v našem případě je mechanicky převedena na točivý moment pohánějící automobil).

Aby bylo používání paliva výhodné, musí splňovat několik požadavků:

• se vzduchem vytvoří takovou zápalnou směs, která po hoření zanechá co nejméně škodlivých látek,
• má maximální obsah aktivních látek, které uvolňují teplo.

Dalším kritériem jsou vhodné fyzikální vlastnosti, mezi které řadíme:

• výhřevnost
• zápalnost
• rychlost spalování
• odpařivost
• teplota bodu samovznícení (zápalu)
• chemické složení

Kromě těchto požadavků musí být palivo dostupné, musí mít co možná nejnižší cenu, musí být možné ho bezpečně přepravovat a musí být snadno skladovatelné.

Pokud bychom hovořily o skupenství, můžeme nalézt paliva plynná (zemní plyn, vodík, svítiplyn, koksárenský plyn, generátorový plyn, …), paliva kapalná (benzin, nafta, petrolej, topný olej, …) a paliva pevná (uhlí, koks, …).

Výrazně největší podíl z hlediska využití mají paliva uhlovodíková. Jsou vyráběna z ropy, zemního plynu a dalších olejnatých látek. Kvůli době a podmínkám vzniku mluvíme o těchto palivech jako o palivech fosilních. Jejich používání v masové míře souvisí s počátkem průmyslové revoluce. Množství zdrojů fosilních paliv je značně omezené a jejich zásoby jsou vyčerpatelné. Lidé se je proto snaží nahrazovat jadernou energií nebo obnovitelnými alternativními zdroji.

V dnešní době je automobilová doprava jedním z nejvýznamnějších faktorů, které ovlivňují kvalitu životního prostředí. Proto vidíme, že všechny země této problematice věnují pozornost a stanovují emisní limity pro spalování paliv jednotlivými typy motorových vozidel. Dalším faktorem jsou přísné požadavky na vlastnosti používaných paliv. Cílem je snížení negativních vlivů dopravy na kvalitu životního prostředí (především na snižování obsahu skleníkových plynů v ovzduší).

Historie vzniku paliv

Ropa a zemní plyn vznikaly v průběhu tisíců a milionů let na dně moří, kde se ve vrstvách bahna, pod tlakem nadložních vrstev, hromadily zbytky živočichů a rostlin, které byly přítomnými anaerobními bakteriemi přeměňovány na kapalnou ropu, zemní plyn, methan a oxid uhličitý. Tento děj probíhal u ropy během druhohor, konkrétně během jury (tj. před 144 – 213 miliony lety), u zemního plynu již během karbonu (prvohory, před 286 – 300 miliony lety).

Tato paliva jsou rozmístěna ostrůvkovitě v pórovitých horninách uložených na nepropustném podloží.

Obr. 11 Rozložení vrstev pod zemským povrchem [19]

Druhy paliva

Palivo umožní po shoření ve válci motoru přeměnu tepelné energie na energii mechanickou, práci. Hoření je prudká oxidace, při které se vyvine teplo.

Paliva dělíme na:

• tuhá (uhelný prach, dřevo apod.) – jejich spalování v běžných motorech není dosud uspokojivě vyřešeno
• plynná (směs propanu a butanu, svítiplyn, methan apod.) – využívají se jako doplňkové zdroje paliva v motorech i u současných automobilů
• kapalná (ropa a její deriváty, ethylalkohol, methylalkohol) – nejpoužívanější druhy paliva pro spalovací motory

Podle druhu paliva se dělí motory na dvě základní skupiny. Jsou to motory plynové a motory na kapalné palivo. Jako palivo se používá zemní plyn a kapalný benzin a nafta. S rozvojem těžby a distribuce zemního plynu nabývá na významu motor na tento plyn nebo jeho kombinace s benzinem či naftou. Pro speciální účely (vojenské) se v posledních letech vyvíjí motory s pohonem na více druhů kapalného paliva. [3]

Ropa

Ropa (někdy také nazývaná surová nafta či zemní olej) je hnědá až nazelenalá hořlavá olejovitá kapalina tvořená směsí uhlovodíků, hlavně alkanů, s charakteristickým zápachem. Je lehčí než voda. Její zbarvení je různé – od žluté, přes zelenou až po hnědou či černou barvu. [20] Podle poznatků vznikla pravděpodobně rozkladem zbytků pravěkých rostlin a živočichů. Nachází se ve svrchních vrstvách zemské kůry – nejčastěji v oblasti kontinentálních šelfů. Je základní surovinou petrochemického průmyslu. Naleziště ropy jsou pod nepropustnými vrstvami, v hloubkách až 8 km pod zemským povrchem. Ropa při těžbě buď vyvěrá pod tlakem, nebo je čerpána. Vyskytuje se společně se zemním plynem. [21]

Způsoby těžby ropy

Kdysi existovala území, kde ropa sama přirozeně vytékala na zemský povrch. Dnes se ropa získává pomocí vrtů. Společně s ropou je většinou přítomen i zemní plyn, který zajišťuje potřebný tlak, a tak může ropa samovolně vytékat. Tento způsob se nazývá primární těžba. Obvykle lze takto získat kolem 20 % ropy obsažené v dané lokalitě. S postupujícím časem těžby ropy klesá tlak přítomného plynu a ropa přestává samovolně vytékat. Poté je nutno přejít na sekundární způsoby těžby, jakými jsou čerpání ropy pomocí pump (viz obr. 12), udržování podzemního tlaku vodní injektáží, zpětným pumpováním zemního plynu, vzduchu nebo CO₂. Primárními a sekundárními metodami se podaří vytěžit 25–35 % celkového množství ropy. Terciární metody těžby nastupují v okamžiku, když už ani sekundární metody nestačí. Jde o okamžik, kdy je těžba ještě stále ekonomická, ale její získávání už je velmi obtížné. V těchto situacích je používán princip snížení viskozity ropy, což je většinou docíleno injektáží horké vodní páry, která vzniká kogenerací (jde o spalování zemního plynu, kdy se vyrábí elektřina. Zároveň se odpadní teplo využívá ke tvorbě vodní páry). Někdy se také ropa rozehřívá zapálením části ropného ložiska. Příležitostně se používá injektáž různými detergenty. Terciární metody dovolují vytěžit dalších 5–15 % ropy v nalezišti. [20, 21]

Obr. 12 Schéma těžební věže [zdroj: wikipedie.cz]
1- motor, 2 - protiváha (závaží), 3 - kyvadlová hlava, 4 - ropovod, 5 - ústí vrtu, 6 - čerpadlo, 7 - ropné písky

Zpracování ropy

Ropa se zpracovává frakční destilací. Jde o metodu oddělování složek směsí, založenou na rozdílných teplotách varu a kondenzace jednotlivých složek. Při frakční destilaci se surová ropa zahřeje na teplotu 350°C. Následně je přečerpána na dno kolony, která slouží k oddělení jednotlivých frakcí (viz obr. 13). V koloně, po dosažení bodu varu, stoupají páry ropy do horních pater, kde dochází k jejich ochlazování. Různé frakce kondenzují v různých patrech destilační kolony, odkud jsou jednotlivě ze směsi odváděny. Směs plynných uhlovodíků (propan a butan) jsou jímány až na samém vrcholu kolony. Benzin kondenzuje při 70°C a nafta při 140°C. Ke středním frakcím, kondenzujícím při 190 – 320 °C, patří např. petrolej, parafin, motorové a topné oleje. Těžké frakce tvoří mazací oleje a asfalt (kondenzují při teplotě nad 350°C).

Obr. 13 Kolona pro frakční destilaci ropy [22]

Benzin

Frakce ropy získaná při teplotě 70°C.

Benzin se jako palivo pro automobilový průmysl začal používat koncem devatenáctého století. Zpočátku byl používán benzin získaný prostou destilací ropy. Jeho vlastnosti byly dány náhodnou skladbou uhlovodíků, především v závislosti na původu ropy. S postupujícím vývojem bylo zjištěno, že různé benziny mají různý vliv na výkon motoru. Proto se dnes již benzin získává pouze frakční destilací ropy s předem danou teplotou varu ropy a kondenzace jejích par.

Pro zlepšování vlastností automobilových benzinů jsou dnes hojně využívána aditiva. Tyto aditiva můžeme rozdělit do několika skupin podle toho, jaký mají vliv na fungování automobilu a motoru. Kromě zvyšovače oktanového čísla se jedná především o detergenty, antioxidanty, inhibitory koroze a deaktivátory kovů. O aditivech hovoříme též jako o antidetonátorech. Obecně jsou to látky, které přidáváme do paliva na úpravu oktanového čísla a pro zlepšení antidetonačních vlastností. Jedná se o látky neuhlovodíkové povahy, které se začaly používat již před 2. světovou válkou. Musí splňovat základní vlastnosti, kterými jsou převádění aktivních látek (radikálů) na látky „netečné“ a podpora shlukování těchto radikálů za účelem jejich vyřazení z činnosti. Obecně se tedy dá říci, že antidetonátory brzdí množství radikálů, čímž zabraňují vzniku řetězových reakcí při spalování paliva. Dříve nejrozšířenějším antidetonátorem bylo tetraethylolovo (zkratka TEO), což je chemicky Pb(C₂H₅)₄. Je to ethylenová kapalina (tzv. ethylfluid – roztok TEO v toluenu). Jedná se o bezbarvou, vysoce jedovatou kapalinu, jejíž teplota varu je 199°C. [23] Mezi dnes nejpoužívanější antidetonátory řadíme látky odvozené od etheru. Jsou to methyltercbutylether (MTBE), ethyltercbutylether (ETBE) a tercamaylmetylether (TAME).

Opakem antidetonátor; jsou tzv. prodetonátory, které naopak urychlují detonační spalování. Obecně můžeme říci, že jsou to látky s iniciačním účinkem. [23]

Nafta

Frakce nafty se získaná při teplotě 140°C. Řadíme ji tedy mezi střední ropné deriváty.

V současnosti je nafta z hospodářského hlediska nejdůležitějším motorovým palivem. Motory na naftu nalezneme nejen v osobních automobilech, ale také v nákladních automobilech, autobusech, dále je nalezneme v železniční a lodní dopravě. Nafta se také používá pro pohon motorů zemědělských strojů.

Motorové nafty jsou poměrně komplikovanou směsí uhlovodíků s dvanácti až dvacetidvěma atomy uhlíku v molekule.

Pro zlepšování užitných vlastností nafty se, stejně jako u benzinu, využívají aditiva. Z hlediska ochrany životního prostředí se dostává do popředí otázka obsahu síry. Její radikální snižování přineslo zásadní problém – nafta s nižším obsahem síry ztrácí mazací schopnost, což má vliv na životnost motoru. Je tedy třeba tuto mazací schopnost nahrazovat aditivy (povrchově aktivními chemikáliemi zabraňujícími kontaktu kov – kov).

Zemní plyn

Zemní plyn je přírodní hořlavý plyn. Používá se jako významné plynné fosilní palivo. Jeho hlavními složkami je methan (většinou přes 90 %) a ethan (1–6 %) a oxid uhličitý [20]. Zemní plyn je charakteristický svým zápachem. Nachází se v podzemí často společně s ropou. Používá se také jako zdroj vodíku při výrobě dusíkatých hnojiv a jako energetická surovina.

Biopaliva

Pokud mluvíme o tzv. biopalivech, mluvíme o způsobu využití biomasy k získání energie. Biopaliva můžeme rozdělit na tuhá, kapalná a plynná. Energie je z biopaliv uvolňována jejich spalováním. V současnosti energie získaná spalováním biopaliv pokrývá až 15 % celkové světové spotřeby energie.

Jako u všech druhů paliv, i u biopaliv existují názory proč tato paliva používat a proč nikoli. Pro používání biopaliv hovoří zejména stanovení jasných podmínek pro jejich šetrnou produkci a vhodný výběr plodin. Argumenty proti používání biopaliv jsou častější. Jedná se o velkou spotřebu vody (2500 litrů vody na výrobu 1 litru biopaliva), dále množství zrna použitého k naplnění nádrže automobilu poháněného ethanolem (množství odpovídá množství jídla, které jeden člověk spotřebuje za rok). Další argument hovoří o tom, že k vyprodukování ethanolu nahrazujícího 5,75 % tekutých paliv je potřeba využít 25 % z celkové orné půdy v EU. U automobilů by došlo použitím ethanolu ke snížení emisí CO₂ o pouhých 13 % (oproti benzinu). Nejdůležitějším protiargumentem je, že biopaliva jsou sice spalována při nižších teplotách, ale zároveň je při těchto teplotách vyprodukováno stejné množství nebezpečných škodlivin jako při spalování fosilních paliv.

Nejrozšířenějším biopalivem je bionafta. Bionafta se vyrábí procesem zvaným transesterifikace (mísení methanolu s hydroxidem sodným a s olejem vylisovaným ze semen řepky olejné nebo ze sojových bobů za vzniku methylesteru (bionafty) z jakéhokoli oleje (řepkového, slunečnicového, sójového, …). Bionafta byla poprvé použita v amerických patentech ve čtyřicátých letech 20. století. K rozvoji jejího použití došlo až po energetické krizi na začátku sedmdesátých let 20. století.

Stejně jako u všech paliv jsou i u bionafty názory jak pro její využívání v automobilovém průmyslu, tak i proti jejímu využívání. Pro bionaftu hovoří to, že je vyráběna z obnovitelných zdrojů; dále že při spalovacím procesu lépe shoří, a tím výrazně snižuje kouřivost naftového motoru. Další její výhodou je vysoká mazací schopnost, čím dochází ke snižování opotřebení motoru. V neposlední řadě nevyžaduje žádné zvláštní podmínky na uskladnění. Nejvýraznější nevýhodou je energetická náročnost výrobního procesu a také skutečnost, že při kontaktu s větším množstvím vody vznikají z bionafty masné kyseliny, které mohou způsobovat korozi palivového systému automobilu.

Alternativní paliva

Protože je automobilová doprava jedním z nejvýznamnějších faktorů, které ovlivňují životní prostředí, probíhají na celém světě výzkumy s cílem najít alternativní paliva, která by omezila množství skleníkových plynů v ovzduší, a také která by bylo možné vyrábět z obnovitelných zdrojů. Jedná se především o technologii výroby syntetických kapalných paliv.

Největšího pokroku dosáhli vědci a konstruktéři zajímající se o hybridní pohon nebo o pohon elektromotory s využitím palivových článků.

Pokud bychom chtěli stanovit důvody pro uplatňování alternativních paliv v automobilismu, nalezneme dva:

• prvním důvodem je cena benzinu a nafty, která je závislá na ceně ropy (ložiska ropy jsou však omezená, proto se předpokládá vysoký nárůst cen);
• druhým důvodem je především ochrana životního prostředí (jedná se jak o snižování plynných emisí, tak o snahu zvýšit využití obnovitelných zdrojů energie).