VäxtEko


Tidskrift/serie: Ekologiskt lantbruk
Utgivare: SLU, Avdelningen för ekologiskt lantbruk
Redaktör: Höök K., Sandström M.
Utgivningsår: 1994
Nr/avsnitt: 17
Författare: Norén O.
Ingår i...: Konferens Ekologiskt lantbruk
Titel: Alternativa motorbränslen - en översikt
Huvudspråk: Svenska
Målgrupp: Rådgivare
Nummer (ISBN, ISSN): 1102-6758

OBS! Fel i texten kan ha uppkommit då dokumentet överfördes från papper.

Varför alternativa motorbränslen?

De motorbränslen som används idag, främst bensin och dieselolja, fungerar tekniskt sett mycket bra. De är förhållandevis billiga att framställa och det finns en väl utbyggd infrastruktur för en bra distribution. Att man trots detta diskuterar alternativa motorbränslen är främst av tre skäl, nämligen miljöhänsyn, tillgång och beredskap.

De fossila bränslena kommer naturligtvis så småningom att ta slut. När det gäller råolja beräknas emellertid de idag kända reserverna räcka till ca 45 års förbrukning med dagens uttag. Det kan nämnas, att under de senaste 30 åren har de kända reserverna ökat i snabbare takt än förbrukningen. Man hittar också ständigt nya oljekällor och om priserna på olja stiger blir det lönsamt att utnyttja fyndigheter som idag ligger oanvända. Det är därför sannolikt att brist på olja inte kommer att uppträda förrän långt fram i tiden.

Tidigare ansågs det viktigt ur beredskapssynpunkt att inom landet ha tillgång till alternativa motorbränslen i händelse av att oljetillförseln skulle bli avstängd av någon anledning. I de scenarier som man nu planerar efter har emellertid beredskapsaspekten tonats ner väsentligt.

Beträffande miljöhänsyn återkommer jag längre fram i framställningen.

Vilka är alternativen?

De alternativa motorbränslen som man i det här sammanhanget har att räkna med är etanol, vegetabiliska oljor, biogas och gengas.

De alternativa bränslenas egenskaper

Jämfört med bensin har etanol en energitäthet som ligger på ca 70%, tabell 1.

Oktantalet ligger omkring 100, vilket är högt. Ett problem med etanol är att ångbildningsvärdet är högt och ångtrycket lågt vilket medför att man i regel inte kan starta på ren alkohol.

Egenskaperna hos rapsmetylester, som erhålles genom omförestring av rapsolja, och rapsolja framgår av tabell 2. Där görs jämförelser med dieselolja eftersom rapsolja och rapsmetylester främst är ersättare för dieselolja. Som framgår av tabellen är cetantalet för såväl rapsolja som rapsmetylester högre än för dieselolja, vilket är en fördel. Rapsoljans värmevärde ligger några procent under dieseloljans och rapsmetylesterns ytterligare några procent lägre. Ren rapsolja har hög viskositet vilket kan ställa till problem i vissa sammanhang medan rapsmetylester har en viskositet som ligger i ungefär samma storleksordning som dieselolja.

I tabell 3 anges biogasens sammansättning samt dess energiinnehåll och oktantal. Metanhalten ligger i regel mellan 50 och 65% och koldioxidhalten mellan 25 och 40%. Därutöver finns mindre mängder andra gaser. Energiinnehållet i 1 m3 biogas ligger kring 5,6 kWh/m3. För att öka energitätheten, vilket är viktigt vid användning i fordon, brukar man renframställa metangas genom borttagning av koldioxid. Energiinnehållet stiger då till ca 9,8 kWh/m3. Oktantalet ligger kring 130, vilket är mycket högt.

 

Tabell 1. Jämförelse av egenskaper hos etanol och bensin
Bränsle          Energitäthet        Oktantal
              kWh/l     Relativtal      
Etanol         6,6          70       98 - 102
Bensin         9,4         100        95 - 98

 

 

 Tabell 2. Jämförelse av egenskaper hos rapsolja, rapsmetylester och dieselolja
Bränsle          Energitäthet       Viskositet   Cetantal    Specifik
                                    mm3/s vid                  vikt
                                       20§C                    kg/l
               kWh/l    Relativ-                                
                           tal
Rapsolja        9,6        98           98          51          0,91
Raps-           9,1        95       6,3 - 8,1       54          0,88
metylester
Diesololja      9,8        100       1,2 - 10      > 45         0,83

 

 

Tabell 3. Exempel på sammansättning och egenskaper hos biogas
Ämne               Innehåll, %    Energitäthet      Oktantal
                                     kWh/m3
Biogas                                 5,6             130
Metan CH4            50 - 65                           
Koldioxid CO2        25 - 40                           
Vätgas H2             0 - 3                            
Koloxid CO           0 - 0,3                           
Kväve N2              1 - 5                            
Syre O2              0 - 0,5                           
Svavelväte H2S      0,05 - 1,5                         
Ren Metangas                           9,8             130

 

I tabell 4 anges sammansättningen av gengas. Den innehåller vanligen 17-22% koloxid, 16-20% vätgas och 2-3% metan samt 10-15% koldioxid och 45-50% kvävgas. Energiinnehållet är lågt, 1,4-1,6 kWh/m3. Oktantalet ligger kring 100.

 

Tabell 4. Exempel på sammansättning och egenskaper hos gengas
Ämne               Innehåll, %    Energitäthet      Oktantal
                                     kWh/m3
Gengas                              1,4 - 1,6          100
Koloxid CO           17 - 22                           
Vätgas H2            16 - 20                           
Metan CH4             2 - 3                            
Tunga kolväten      0,2 - 0,4                          
Koldioxid CO2        10 - 15                           
Kväve N2             45 - 50                           

 

Egenskaperna hos de alternativa motorbränslena skiljer sig sålunda avsevärt från varandra. Detta gör att somliga passar för ottomotorer (bensinmotorer) medan andra passar för dieselmotorer. I en ottomotor sker antändningen av bränsleluftblandningen genom en elektrisk gnista. Viktiga bränsleegenskaper är härvid högt oktantal, låg ångbildningsvärme och högt ångtryck. I en dieselmotor sker antändningen av bränsleblandningen genom den höga temperatur som uppstår i kompressionsfasen. En viktig bränsleegenskap är i detta fall ett tillräckligt högt cetantal.

I figur 1 anges vilka bränslen som passar för ottomotorer. Det är främst ren etanol varvid start sker på bensin samt etanol inblandat i bensin. Vidare biogas och gengas.

 

Ottomotorer         Ren etanol           Start på bensin
(bensinmotorer)     Etanol + bensin      I regel < 20%
                    Biogas
                    Gengas

 

Figur 1. Motorbränslen som passar till ottomotorer.

I dieselmotorer med direktinsprutning och med förkammare kan man använda rapsmetylester, etanol, biogas och gengas som framgår av figur 2. Det är dock endast rapsmetylester som direkt kan ersätta dieselolja medan de övriga bränslena kräver tändtillsats av något slag. I elsbettmotorer och vissa förkammarmotorer kan rapsolja användas direkt som bränsle.

Miljö

Ur miljösynpunkt är det framför allt avgasemissioner, nedbrytbarhet och giftighet som är av betydelse. I tabell 5 anges maximalt tillåtna emissioner från tunga fordon, som gäller för Sverige fr.o.m. 1993 och inom EU fr.o.m. 1996. Som framgår av tabellen är det kväveoxider, kolväten och koloxid samt partiklar som man satt upp gränsvärden för. Det framgår också av tabellen att EU kommer att ha strängare bestämmelser än vad Sverige för närvarande har. Utöver det här s.k. reglerade emissionerna förekommer en mängd andra ämnen i avgaserna. Exempel härpå är bensen, formaldehyd, alkener, monoaeromater, aldehyder, PAC m.fl.

Resultat från emissionsmätningar kan variera. De påverkas av motorn, motorns inställning m.m. Värdena i tabell 6 får därför ses som exempel.

I tabell 6 redovisas emissioner i gram per kilowattimme för etanol i dieselmotorer för de så kallade reglerade emissionerna. Som framgår av tabellen ligger emissionerna långt under de svenska maximivärdena. Etanolen bryts snabbt ner i naturen. Emissionen av koldioxid ingår i naturens naturliga kretslopp.

När det gäller rapsolja i elsbettmotorer visar svenska undersökningar, tabell 6, att emissionerna ligger under de svenska maximivärdena. Rapsoljan är mycket miljövänlig - den bryts snabbt ner i naturen och är inte giftig. Koldioxidemissionerna ingår i de naturliga kretsloppet.

När det gäller rapsmetylester visar studier som genomförts vid Statens maskinprovningar att kolmonoxiden låg under 1 g/kWh, kolvätena vid 0,14 g/kWh medan kväveoxiderna låg nära 12 g/kWh. I fråga om partiklar uppmättes 0,3 g/kWh.

 

Figur 2. Motorbränslen som passar till dieselmotorer.
Dieselmotorer            Rapsmetylester
med direktinsprutning
och med förkammare
                         Etanol
                         Tvåbränslesystem eller
                         Tändtillsats eller
                         Blandning med dieselolja
                         Biogas
                         Blanddrift eller
                         Dieselolja som tändbränsle eller
                         El-tändning (ombyggnad till
                         ottomotor)
                         Gengas
                         Dieselolja som tändbränsle eller
                         El-tändning (ombyggnad till
                          ottomotor)
Elsbettmotorer,          Rapsolja
Dieselmotorer med
förkammare

 

 

Tabell 5. Maximalt tillåtna emissioner från tunga fordon. Mätt enligt ECE R 49
Ämne                    Maximalt tillåtna emissioner, g/kWh
                     Sverige fr.o.m 1993     EU fr.o.m. 1996
Kväveoxider NOx               9                     7
Kolväten HC                  1,2                   1,1
Koloxid CO                   4,9                   4,0
Partiklar                    0,4                   0,15

 

Studier som genomförts i Schweiz och Österrike, där man också studerat andra emissioner än de reglerade, visar att man har fått en stark reduktion av polyaromatiska kolväten jämfört med diesel. Däremot har man fått ökningar av sådana ämnen som formaldehyd och akrolein. Liksom i fråga om andra biobränslen ingår koldioxidemissionerna i kretsloppet. I detta fall härrör dock ca 5% av koldioxiden från metanolen, som i regel framställs ur naturgas. I rapsmetylester liksom i rapsolja finns vidare endast spår av svavel. Utsläppet av svaveloxider blir därför i praktiken 0. Andra miljöfördelar med rapsmetylester är att den snabbt bryts ner i naturen om den spillt ut och att den är väsentligt mindre giftig än dieselolja.

Emissionerna vid körning med komprimerad naturgas framgår av tabell 6. Eftersom naturgasen till huvudsaklig del består av metan, kan man anse att dessa värden också gäller för metangas. Som synes ligger emissionsvärdena relativt lågt.

När det gäller gengas föreligger inga mätvärden på emissionerna. Gengas är mycket giftig.

 

Tabell 6. Exempel på emissioner från tunga fordon. Mätt enligt ECE R 49
Bränsle                                Emission g/kWh
                            NOx       HC        CO     Partiklar
Rapsolja1)                  7,0       0,9      1,7        0,4
Etanol med katalysator2)    4,5       0,2      0,1        0,1
RME3)                       11,9     0,14      0,95       0,3
Naturgas4)                  5,3       0,3      0,4         -
1) Zetterström, B. 1993. Valmet 805-4 med Elsbettmotor - prestanda och
emissioner samt resultat från provning i praktisk drift. Rapport 8031, Statens
maskinprovningar, Uppsala.
2) Regestad, S. 1993. Etanol till drivmedel. Svenska bioenergiinstitutet.
Konferens på Knistad herrgård, Skara.
3) Statens maskinprovningar. 1993. Scafi 101 i jämförelse med andra
dieselbränslen, Uppsala.
4) SAE Paper 932817, Warrendale, Pa. USA.

 

Tillgång

Användningen av de ovan nämnda alternativa drivmedlen är för närvarande obetydlig sett i förhållande till användningen av fossila drivmedel. År 1992 uppgick bensinförbrukningen i Sverige till nära 5,9 miljoner m3 och förbrukningen av dieselolja till ca 3 miljoner m3.

Jordbruket förbrukade detta år drygt 300 000 m3 dieselolja. Den största användningen av de alternativa bränslen som här behandlats har rapsmetylester, av vilken förbrukas några tusen kubikmeter per år. Även etanol används i viss omfattning, främst i större försök med bussar. Även med biogas pågår en del prov hos större förbrukare såsom kommunala bussbolag. När det gäller gengas fortsätter försök som sedan lång tid tillbaka bedrivs vid Statens maskinprovningar.

En naturlig fråga när det gäller energifrågor på gårdsnivå är naturligtvis vilka energikvantiteter som jordbruket skulle kunna tillhandahålla. Vilka arealer skulle exempelvis behövas om man tänkte sig att ersätta jordbrukets förbrukning av dieselolja på 300 000 m3.

Energiinnehållet i de alternativa bränslena är, som framgått av ovanstående, inte lika högt per volymenhet som dieselolja.

För att energimässigt ersätta lantbrukets 300 000 m3 dieselolja behövs ca 450 000 m3 etanol. Vid etanolframställning åtgår 2,7-3,0 kg spannmål för framställning av en liter etanol. Vid en skörd av 5 ton spannmål per hektar behövs alltså en areal på 250 000-270 000 ha för drivning av jordbrukets traktorer. Hänsyn har då inte tagits till att mycket stora mängder energi åtgår i framställningsprocessen.

Av rapsmetylester åtgår 325 000 m3 för att ersätta dieseloljan. Med en skörd på 2,5 ton rapsfrö per hektar (8 procentig vara) och en oljeandel på 40% ger 1 ha raps 1 ton rapsolja. Det skulle alltså åtgå 325 000 ha raps för att ersätta dieseloljan. Oljeväxtarealen kan dock inte gärna överstiga 200 000- 225 000 ha. Energiåtgången för framställning av rapsolja och rapsmetylester uppgår endast till några procent av energin i den färdiga produkten.

Ur 1 kg torrsubstans av en vallgröda kan man få ut ca 0,3 m3 ren metan. Vid 7 ton torrsubstans per hektar erhålls en gasmängd på 2 100 m3 vilket alltså motsvarar ca 2 m3 dieselolja. För att ersätta 300 000 m3 dieselolja med metangas skulle det alltså åtgå ca 150 000 ha. Härtill kommer processenergin som är relativt stor.

Gengas framställd av ved har ett effektivt värmevärde på 5,0-5,8 MJ/Nm3. Värmevärdet för blandningen gengas/luft är ca 30% lägre än för bensin/luft. För att ersätta 1 liter dieselolja åtgår ca 3,3 kg ved.