Emulzná nafta

Svet je dnes plný extrémov... Na jednej strane je prítomnosť vody v nafte jav absolútne nežiadúci – a každodenná prax to aj potvrdzuje - a na strane druhej svet aktívne experimentuje s používaním nafty s prímesou vody ako alternatívnym palivom! Ktosi raz povedal: “Keby sa svet otočil hore nohami, veľa vecí by sa dostalo do správnej polohy“- a mal pravdu!

Tlak na znižovanie emisií vo výfukových plynoch automobilov je skutočne obrovský (a sledujúc správy o extrémných prejavoch počasia na celom svete, zdá sa opodstatnený). Od začiatku 90-tych rokov minulého storočia bolo prijatých množstvo legislatívnych obmedzení vo forme zákonov, smerníc, nariadení či vyhlášok zaväzujúcich všetkých výrobcov, ktorí môžu akýmkoľvek pozitívnym spôsobom ovplyvniť produkciu škodlivín automobilov, k dramatickému znižovaniu množstva škodlivých častíc. Spôsobov ako to dosiahnuť je niekoľko. Medzi tie najzásadnejšie patrí úprava konštrukcie motora s cieľom zdokonaliť proces jeho spaľovania, využívanie a zdokonaľovanie systémov na úpravu spalín, tvorba hybridných vozidiel či dokonca nahradenie spaľovacieho motora motorom elektrickým a v neposlednom rade používaním nových alternatívnych palív, ako aj úpravou tých tradične využívaných. A práve cestou modifikovania paliva sa rozhodlo ísť niekoľko renomovaných svetových spoločností, ktoré sa pokúšajú presadiť využívanie tzv. emulznej nafty.

Čo je to emulzná nafta?

Emulzná nafta je mechanická zmes kvapôčok deionizovanej vody v nafte vo forme emulzie. Emulziou sa pritom rozumie „nepravý“ roztok spravidla dvoch kvapalín, ktoré sú za normálnych podmienok navzájom nerozpustné. K takýmto kvapalinám, ako je známe, patrí aj nafta a voda. Zmeniť tento stav čiastočne umožňujú chemické látky nazývané emulgátory. Sú to organické látky, ktoré umožňujú zmenšiť povrchové napätie na rozhraní kontaktu dvoch nemiešateľných kvapalín natoľko až dôjde k ich zdanlivému vzájomnému rozpusteniu. K zdanlivému preto, že v skutočnosti často nejde o rozpustenie látok na atómovej, iónovej či molekulovej úrovni, ale iba o mechanické premiešanie a dispergovanie (rozptýlenie) zmenšených kvapiek nerozpustnej kvapaliny, v našom prípade vody, v rozpúšťadle t. j. v motorovej nafte. Kedže veľkosť častíc vody rovnomerne dispergovaných v emulznom palive pomocou emulgátora dosahuje hodnotu iba 0,5 až 5 μm teda 0,0005 až 0,005 mm (pre porovnanie: priemerná hrúbka ľudského vlasu je zhruba 60 μm čiže 0,06 mm) ľudskému oku sa pritom zdá, že ide o „dokonalé“ rozpustenie. Výsledkom je vznik emulznej nafty bielej farby pripomínajúcej mlieko. Pre svoj vzhľad sa zvykne niekedy prosto označovať ako „biela nafta“ (angl. „white diesel“). V prípade emulznej nafty sa ako emulgačné činidlá používajú chemické látky, ktoré sú produktom reakcií alkanolamínov s mastnými kyselinami, napr. trietanolamin. Ako stabilizačné látky, ktorých úlohou je dlhodobo brániť rozkladu „umelo“ vytvorenej nestabilnej emulznej zmesi počas jej skladovania na dve samostatné fázy voda-nafta, sa používajú vyššie alkoholy resp. chemické látky na báze glykolu. Vďaka aplikácii stabilizátorov dĺžka skladovateľnosti emulzného paliva dosahuje od štyroch do dvanásť mesiacov. Samozrejme, okrem uvedených špecializovaných aditív je potrebné pridávať aj detergenty, inhibítory korózie, zvyšovač cetánového čísla, depresanty proti zamŕzaniu, mazivostné prísady a biocídne látky proti mikrobiologickému rozkladu emulzie.

Emulzná nafta v Európe

K výrobe a k experimentovaniu s emulznou naftou sa pristúpilo už začiatkom 90-tych rokov s cieľom radikálnejšie znížiť obsah škodlivín vo výfukových plynoch najmä „veľkých“ alebo tiež „heavy duty“ vozidiel s naftovým motorom ako sú nákladné autá, autobusy, ale aj vlaky či lode premávajúce hlavne vo veľkých mestských aglomeráciach. Nasadenie emulznej motorovej nafty umožnilo jej používanie aj starším vozidlám a autobusom v jednotlivých mestách bez akejkoľvek nutnosti modifikácie konštrukcie motorov alebo ich palivového systému. Tie vozidlá, ktorých emisná bilancia bola niekde na úrovni EURO 2, EURO 3 sa tak priblížili či dokonca v prípade niektorých parametrov aj dosiahli hodnoty prísnejších emisným predpisov napr. EURO 4. Úroveň znečistenia ovzdušia veľkých európskych miest dosiahla dramatickú hodnotu, čo prinútilo niektoré krajiny hľadať riešenia tejto situácie aj cestou výroby a používania emulznej nafty. V Európe to zatiaľ najďalej dotiahli Taliani a Francúzi. Postupne sa k experimentovaniu s emulznou naftou v reálnych podmienkach verejnej dopravy pridali aj ďalšie krajiny: Švajčiarsko, Veľká Británia, Holandsko a dokonca aj naši českí susedia. V Taliansku už v roku 2005 predstavovala skupina vozidiel nasadených do projektu s emulznou naftou pod obchodným názvom Gecam skupinu cca 9 000 vozidiel zo sféry verejnej dopravy, odvozu odpadu, rozvozu tovaru a rôznych priemyselných aplikácií, stacionárnych zariadení, generátorov el. energie a strojov a mechanizmov ťažobného priemyslu. Do projektu tak bolo zapojených približne 80 talianských miest a obcí. Taliani však išli ešte ďalej a aplikovali emulznú naftu, resp. emulznú zmes vody a vykurovacieho oleja aj do oblasti vykurovania súkromných obydlí, ale aj verejných budov ako sú nemocnice, múzeá, školy a univerzity v počte asi 400 objektov. Celková spotreba emulznej nafty pre účely dopravy dosiahla v Taliansku roku 2005 takmer 80 000 ton a pre účely vykurovania (spolu s vykurovacím olejom) 25 000 ton. Z hľadiska celkovej spotreby palív na Apeninskom poloostrove je to síce zanedbateľné množstvo (asi 0,4%) avšak dostatočné na získanie cenných praktických poznatkov a bohatých skúseností umožňujúcich ďalšie zdokonaľovanie produktu.

Podobne aj v niektorých ďalších krajinách Európy a ich najväčších mestách napr. vo Francúzsku- Paríž, Montpellier, Toulon, vo Veľkej Británii- Londýn, Nottingham, v Českej republike- Praha, Ostrava atď. sa zapojili do praktických skúšok emulzného paliva v podmienkach autobusovej verejnej dopravy.

Distribúcia emulznej nafty

Ešte v januári roku 2003 bola v rámci EU založená Európska Asociáca výrobcov emulzného paliva známa pod skratkou EEFMA (European Emulsion Fuel Manufacturers’ Association). Členmi spoločenstva EEFMA sú napr. firmy Pirelli & C. Eco Technology S.p.A. (Taliansko) a TotalFinaElf (Francúzsko). Združenie má výrobcom emulzného paliva pomôcť s koordináciou aktivít pri presadzovaní ich záujmov a odstraňovaní rôznych ekonomických, legislatívnych, spoločenských, technických, prevádzkových či iných existujúcich bariér brániacich širšiemu využívaniu emulzného paliva na území spoločenstva. Popritom jednou z hlavných úloh asociáce zostáva implementácia praktických poznatkov o použití paliva aj do jednotného európskeho dokumentu pre emulzné palivo CWA15145:2004, stanovujúceho kvalitatívne požiadavky, fyzikálne a chemické vlastnosti emulzného paliva a druhy testovacích metód. Okrem uvedenému dokumentu sú pri výrobe palív využívané aj štandardy jednotlivých krajín najmä Talianska, Francúzska prípadne Českej republiky (ČSN 656509). Medzi najznámejšie produkty emulzných palív predávaných na svetovom a európskom trhu možno zaradiť nasledovné alternatívne palivá:

*CFT, Inc. - Clean Fuels Technology, Inc.

Starý kontinent preferuje emulzné palivo s obsahom do 15%, presnejšie v rozsahu 9-15% vody. Vzájomný pomer deionizovanej vody a nafty v emulznom palive sa počas roka spravidla mení v závislosti od ročného obdobia. V zime podiel vody klesá, resp. stúpa podiel depresantov, napr. alkoholov. Depresanty na báze alkoholov zároveň fungujú ako stabilizátory emulzie a ich množstvo v zimnej verzii emulzného paliva sa pohybuje do 6%. Okrem toho nechýbajú všetky ostatné potrebné aditíva vo forme aditivačného balíčka s rozsahom asi 2 až 3,5% hm.

Emisná bilancia bielej nafty

Poznatky z laboratórnych testov emulznej nafty, no predovšetkým rozsiahle dlhoročné praktické skúsenosti a výsledky získané z reálnych prevádzkových podmienok vybraných sfér dopravy i priemyslu po celom svete, potvrdili veľmi priaznivú bilanciu emisného zloženia spalín. Rozsah zníženia jednotlivých emisných škodlivín sa mení v závislosti od podielu vody v emulznom palive a pohybuje sa v nasledovných hraniciach:

• redukcia dymivosti o 60 až 80%

• zníženie počtu pevných častic (sadzí) o 50 až 63%
• pokles NOx o 9 až 30%
• minimalizovanie CO o 13 až 33%
• zníženie CO2 o 10%

Emulzná nafta je druhom alternatívneho paliva, ktorá dokáže súčasne výrazne znížiť podiel tuhých častíc a oxidov dusíka vo výfukových plynoch, a to bez potreby nákladnej modifikácie konštrukcie samotného vznetového motora alebo jeho palivovej sústavy. Na druhej strane s narastajúcim podielom vody v emulznom palive rastie obsah nespálených uhľovodíkov. Navyše v závislosti od typu použitých aditív môže stúpať aj koncentrácia aldehydov v spalinách. Pochopiteľne, že na výslednú emisnú bilanciu bude nemalou mierou vplývať aj typ a stav naftového motora, prevádzkové podmienky, druh a stav palivovej sústavy, vlastnosti použitej nafty a podobne.

Aplikáciu emulzného paliva pripúšťajú na niektorých modeloch svojich motorov aj takí svetoví producenti ako Caterpillar, Deutz, Komatsu, Man, Mack, Irisbus, Iveco, Renault i Scania. Záručné podmienky na motor sú presne vymedzené a často sa nevzťahujú na výfukovú sústavu.

Mechanizmus pôsobenia emulznej nafty

Mechanizmus pôsobenia vody v palive je zaujímavý, tým že kvapôčky vody v nafte sú len „pasívnym“ prvkom v procese spaľovania paliva. Voda v palive neprináša žiadny energetický potenciál, a teda nezlepšuje energetickú bilanciu spaľovania, práve naopak - zhoršuje ju. Príčinou je nižšia merná energia emulznej nafty a vysoký ochladzujúci účinok vody znižujúci teplotu horenia. Tieto skutočnosti negatívne ovplyvňujú aj samotnú spotrebu emulznej nafty, ktorá sa zvyšuje o 6 až 15% v porovnaní so spaľovaním klasickej motorovej nafty. Podobne výkon naftového motora klesá zhruba o 8 až 20%. Uvedené parametre motora sú v prípade emulzného paliva závislé z veľkej časti na vzájomnom pomere voda/ nafta.

V momente vstreku emulzného paliva do spaľovacieho priestoru zohriateho vznetového motora na konci kompresného zdvihu, dosahuje teplota stlačeného vzduchu min. 600 °C. Nižšia teplota varu vody v porovnaní s naftou, ktorej teplota varu začína na úrovni cca 160 °C, spôsobí okamžité odparenie vody v podobe mikroexplózií jej kvapôčok rozptýlených v nafte. Pri tejto explozívnej premene skupenstva kvapiek vody dôjde k „roztrhaniu“ kvapiek nafty na ešte menšie kvapôčky a k zväčšeniu celkovej kontaktnej plochy paliva so vzduchom, resp. kyslíkom. Palivo tak môže dokonalejšie prehorieť za vzniku menšieho množstvá pevných častíc, čo sa okrem iného pozitívne prejaví na dymivosti motora. Zároveň vďaka veľkému výparnému teplu vody poklesne teplota spaľovania zhruba o 300 °C vďaka čomu sa zníži obsah NOx, ako aj teplota samotných výfukových plynov. Na druhej strane však prítomnosť vodnej pary zabráni kontaktu časti paliva so vzduchom, a môže tak dôjsť k zvýšeniu podielu nespálených uhľovodíkov. Zaujímavý je tlakový efekt vodnej pary vedúci k čistejšiemu spaľovaciemu priestoru, ako aj výfukového systému. Dôležitú úlohu v čistiacom efekte zohráva skutočnosť vzniku minimálneho množstva tuhých častíc už vo fáze samotného spaľovania emulzného paliva. Menej priaznivým pre spaľovanie emulznej nafty z vyšším obsahom síry je fakt vzniku kyselín najmä vo výfukovom potrubí. Pochopiteľným dôsledkom je nadmerná korózia systému a skrátenie jeho životnosti. Obmedziť tento jav možno použitím výfukového systému z drahších ušlachtilejších ocelí alebo použitím bezsírnej nafty s obsahom síry do 10 ppm. Okrem toho časť vody z procesu spaľovania sa dostáva aj do motorovej náplne motora, čím urýchľuje jeho degradáciu. Potrebná je preto aj častejšia výmena motorového oleja.

Napriek veľkému množstvu praktických skúseností z nasadenia emulznej nafty potvrdzujúcich jej pozitívny vplyv na emisnú bilanciu dieselových motorov a použiteľnosť v praxi, nemožno nijak zvlášť predpokladať, že v budúcnosti dôjde k masovému rozšíreniu tohto alternatívneho produktu aj do verejnej čerpacej siete. Naďalej existuje množstvo prekážok najmä ekonomického i prevádzkového charakteru, ktoré by bolo potrebné uspokojivo doriešiť, pokiaľ nemá emulzná nafta zostať iba alternatívnym palivom uzavretých dopravných či priemyselných systémov s vlastným palivovým hospodárstvom ako sú verejné dopravné podniky, nákladná automobilová doprava, železnice, riečna a námorná doprava, stavebné mechanizmy, priemyselné stacionárne motory, teplárne i elektrárne, ťažobný priemysel a podobne.