Oleje pro plynové motory kogeneračních jednotek

Teplo a elektřinu současně Kogenerační jednotky jsou zařízení pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. V malých kogeneračních jednotkách se využívají zejména pístové spalovací motory, upravené pro pohon plynnými palivy. Soustrojí větších výkonů jsou však již vybavována speciálními typy stacionárních spalovacích motorů vyvíjených a vyráběných právě k těmto účelům. Nejčastějším palivem bývá zemní plyn, v posledním desetiletí je však naprosto zřejmý masivní nástup využití ostatních alternativních plynů, zejména různých druhů tzv. bioplynů. BIOPLYN - PŘEHLED BIOPLYNOVÝCH TYPŮ Bioplyn je získáván v bioplynových stanicích budovaných především jako součást čistíren odpadních vod, dále též na skládkách komunálních odpadů nebo v zemědělských podnicích zaměřených na živočišnou výrobu. Zdrojem bioplynu samozřejmě mohou být mnohé další suroviny, resp. odpady rostlinného původu a nejrůznější kombinace těchto základních typů. Nejnovějším trendem však jsou bioplynové stanice budované v zařízeních určených pro komplexní zpracování více druhů surovin (odpadů) - různých biologických (odpady z výroby masa, potravin, odpady z chovu hospodářských zvířat apod.), některých druhů komunálního odpadu a čistíren odpadních vod. OBSAH ENERGIE V OBNOVITELNÝCH ZDROJÍCH Až 1 kWh elektrické energie, nebo 1,2 kWh tepelné energie lze získat např. z 5 -7 kg biologického odpadu, 5 - 15 kg odpadků, 8 - 12 kg organického odpadu, nebo 4 - 7 m3 odpadních vod. EKONOMICKÉ ASPEKTY A VÝHODY NASAZENÍ KOGENERAČNÍCH JEDNOTEK V BIOPLYNOVÝCH STANICÍCH Oproti pouhé výrobě tepla při spalování bioplynu v kotlích, nabízí kogenerace možnost současné výroby elektrické energie. Podle výkonu vlastní jednotky může být tato energie využívána pro vlastní spotřebu příslušného objektu, nebo dodávána do veřejné sítě. V případě výroby pro vlastní spotřebu tak lze získat mnohem levnější elektřinu, než jejím nákupem ze sítě. V případě jejího prodeje lze také využít výhodné výkupní sazby elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů energie. Protože bioplyn vzniká zpravidla jako vedlejší produkt při zpracování organických odpadů, jsou náklady na provoz kogenerační jednotky pak tvořeny především odpisy zařízení a servisními náklady. Výnosy tvoří pak ušetřené náklady za teplo a elektřinu, případně zisk z prodeje elektřiny do sítě. Pro vlastní posouzení rentability, nebo výnosnosti provozu vlastní kogenerační jednotky, bývá zpravidla klíčová otázka kvality - resp. vlastností získávaného bioplynu. Vlastnosti bioplynu rozhodují o jeho použitelnosti nejen z pohledu škodlivých příměsí a energetické vydatnosti (výhřevnosti), ale z pohledu a zaměření mého příspěvku a zejména také o druhu a kvalitě použitého oleje pro mazání vlastního motoru jednotky. Některé vlastnosti bioplynu mohou předpokládaný záměr výstavby, nebo vlastního provozu jednotky, významně prodražovat, komplikovat, či úplně znemožnit. Ke zhodnocení vlastností bioplynu je proto nutné přistupovat velmi odpovědně. Důležitou informací je především obsah metanu (nejlépe celé složení plynu), stálost kvality plynu a obsah ostatních škodlivých příměsí (zejména chlóru, fluóru pod.). Obsah metanu CH4 běžně bývá 55 až 65 %. Za minimální hranici se ovšem považuje koncentrace na úrovni alespoň 50 %. Tlak bioplynu pro spalování bioplynu v kogenerační jednotce je obvyklá hodnota tlaku v rozsahu 1,5 až 10 kPa (dle velikosti vlastní jednotky). Stálost kvality plynu Stálostí rozumíme zejména stabilitu a složení a tlaku bioplynu. Ta ovlivňuje stabilitu chodu motoru, tím celé jednotky a logicky také emise škodlivin. Obsah škodlivých příměsí především sloučenin síry, fluoru a chloru, má vliv na korozi dílů sacího traktu a vnitřních dílů motoru, přicházejících do styku se spalinami a mazacím olejem. Při vyšším obsahu síry je vhodné použít odsiřovací zařízení. Antidetonační stálost je vlastnost paliva, kdy nedochází k nekontrolovaným samozápalům, ale naopak palivo je precizně spalováno výlučně od zapalovací jiskry. TYPY A VÝKONY KOGENERAČNÍCH JEDNOTEK V České republice je použití kogenerace poměrně velice rozšířené. Jen na základě některých údajů hlavních importérů, domácích výrobců a provozovatelů kogenerací je u nás v provozu více než tisíc jednotek s instalovaným výkonem od 8 kW (elektrického výkonu) a necelých 20 kW tepelného výkonu pro řádově tisíce kilowatt výkonu. Po technické stránce dnes nejsou již výjimečné ani jednotky o výkonu více než 2000 kW elektrického i tepelného výkonu. Instalace takové jednotky je však již vázána na poměrně vydatné zdroje plynu, protože spotřeba takové jednotky se již pohybuje kolem 500 m3/h (pro zemní plyn). Pro bioplyn by tato spotřeba byla minimálně dvojnásobná. Jak již bylo řečeno, v jednotkách s menšími výkony je s výhodou využíváno motorů, které konstrukčně vycházejí ze standardních pohonných jednotek nákladních vozidel. V případech, kde zdroj bioplynu odpovídá právě velikosti těchto motorů, jsou tedy tyto motory (tj. motory upravené a přizpůsobené na spalování kvalitativně horšího bioplynu), masivně a s výhodou nasazovány. Oleje pro mazání motorů kogeneračních jednotek OBECNÉ POŽADAVKY NA OLEJE Jak již bylo v úvodu naznačeno, použití bioplynu jako paliva ve spalovacím motoru je z určitého úhlu pohledu v podstatě bez větších technických problémů - motor jako celek vlastně funguje jako při použití klasických paliv. Bohužel, některé odlišnosti oproti "klasickým palivům" tu přeci jen máme. Tím naprosto nejhorším specifikem bioplynu je právě jeho "nevyzpytatelné" složení. Nevyzpytatelné v tom smyslu, že každý zdroj bioplynu je v podstatě unikátní, závislý na specifických místních podmínkách a původu, stavu a složení výchozího organického materiálu. A bohužel, ne vždy se proto můžeme spolehnout na stálost jeho složení. Pro provozovatele kogenerační jednotky je zpravidla klíčovým požadavkem: zvýšit na maximum výměnnou lhůtu mazacího oleje!! Přerušení provozu jednotky z důvodu jejího servisu stojí peníze, po dobu odstávky stanice nevyrábí (ušlé tržby a chybějící produkce tepla). Na druhou stranu platí, že i přetažení intervalu výměny oleje je téměř vždy na úkor zvyšujícího se opotřebení motoru (měřeno množstvím otěrových kovů v oleji). To může být ve svých důsledcích také velmi drahé až fatální. Výměnnou lhůtu oleje by však v mnohém zachránila právě kvalita a složení bioplynu - ale s tím vlastně nelze v praxi také mnoho udělat. Bioplyn je takový, jaký je jeho zdroj. Výrobci a konstruktéři motorů, jak už to ostatně v našem oboru často chodívá, mají na tento problém lék: Vše musí zachránit olej. A jako vždy, požadují od výrobce oleje vlastnosti, jejichž splnění ovšem z důvodu protichůdnosti takových požadavků nebývá vždy jednoduché. Očekávají nasazení takového oleje, který nestárne (nedochází k jeho rychlému zahušťování v provozu), který má co možná nejvyšší alkalickou rezervu, který má vysoké mazací schopnosti (protioděrové přísady), který má minimální obsah abrazivních zplodin (sulfátový popel) a mnohé další vlastnosti. Dlužno říci, že takový naprosto ideální olej vlastně neexistuje. Hledáme, opět, kompromisy. Hledání kompromisů je ovšem v zásadě prospěšné, spolupracují-li na tom hledání obě strany. Bez takové těsné spolupráce by bylo dosažení současné vysoké úrovně kogeneračních jednotek nemyslitelné. V celosvětovém měřítku proto spolupracují výrobci motorů pro tyto jednotky s některými výrobci maziv velice těsně a dlouho. Tato spolupráce je vlastně nikdy nekončící proces, jednak z důvodu stálého zdokonalování vlastních jednotek a jednak z důvodu stále nových zdrojů různých typů bioplynů a aplikací kogenerátorů. Výsledkem je dnes již celá řada druhů těchto olejů v nabídce prakticky každého významnějšího producenta olejů. Ne všechny oleje však můžeme použít vždy, ne všechny jsou navzájem srovnatelné. Tyto oleje de facto také nemají svoji jednotnou mezinárodní standardizaci. Jsou pro každého z jejich výrobců "Opravdovou specialitou". VLASTNOSTI OLEJŮ V praxi se mezi výrobci kogeneračních jednotek v podstatě ustálil požadavek na jednorozsahové oleje viskozitní třídy SAE 40. Již výběr základových olejů pro tuto viskozitu má mimořádně silný vliv na jejich budoucí chování. Této viskozitní třídy někdy bývá dosahováno tak, že se mísí řídké, nízkomolekulární základové oleje s hustými, vysokomolekulárními základovými oleji (Brightstock). Bohužel, řídké oleje s sebou přináší vysoký odpar (přispívá k zahušťování oleje během provozu), husté naopak vedou ke zvýšené tvorbě laků a karbonu. Někteří výrobci však vyrábějí tyto viskozitní rozsahy přímým, velice úzkým destilačním řezem (minerální oleje). To bývá pro další rafinaci a aditivaci vlastního mazacího oleje velkou předností. Celá řada nutných aditiv má totiž protichůdné účinky a čím více aditiv, tím také vyšší cena. Na jedné straně např. chceme zvýšit na maximum alkalickou rezervu oleje (eliminuje účinky kyselých zplodin a příměsí plynu) a dostat do oleje dostatek detergentů (čistota pístů, Bore Polisching), současně tím ale zanášíme do oleje látky zvyšující obsah abrazivního sulfátového popela. Především tento rozpor mezi TBN a sulfátovým popelem v oleji je hlavním kompromisem a tyto údaje jsou u každého oleje každého výrobce uváděné. Čím vyšší TBN při současně nízkém obsahu sulfátového popela, tím v zásadě lépe. V tabulce jsou uvedeny některé základní charakteristické parametry olejů. HODNOCENÍ A SCHVALOVÁNÍ OLEJŮ Kvalitu, resp. vhodnost daného oleje pro daný typ kogenerační jednotky se hodnotí jednak celou řadou laboratorních zkušebních metod, napodobujících provozní podmínky (např. Thin Film Oxygen Uptake Test (TFOUT) (ASTM D4742), Panel Coker Test a Wolfův páskový test, Petter W-1 (CEC L-02-A-78), kterými hodnotíme především oxidační stabilitu oleje, dále také korozní účinek na ocel (ASTM D665) a měď (ASTM D 130), nebo MWM-B (CEC L-12-A-76) pro hodnocení spotřeby oleje a tvorby usazenin a podobně), především však jeho trendovým testováním v provozu konkrétní jednotky. Zde se sleduje také celá řada parametrů oleje, ale předavším obsahy otěrových kovů. Olej je tedy nositelem některých informací o stavu motoru již v průběhu testování. Obsah otěrových kovů v oleji v závislosti na délce proběhu oleje je rozhodujícím ukazatelem pro stanovení přípustného intervalu výměny oleje pro danou jednotku. Samozřejmě po doběhu každé zkoušky se vyhodnocují vizuálně i parametricky další informace o stavu motoru (stav pístů, ventilů atd.), které společně s trendovými analýzami oleje umožňují jednak posoudit vhodnost daného oleje pro nasazení v dané jednotce. Analýzy také umožňují optimalizaci a další vývoj olejů pro kogenerační jednotky. V tabulce jsou uvedeny některé charakteristické parametry otěrových kovů z trendových analýz. Praktické zkušenosti z nasazení různých olejů v kogeneračních jednotkách pro spalování bioplynu nám ukazují, že praktické intervaly výměn oleje se pohybují již od 650 mth, obvykle však 800 až 950 mth. Oleje s výměnným intervalem přes 1000 mth patří již mezi skutečně špičkové oleje. Výjimečně jsou některé oleje schopny obstát i pro interval výměny nad 1150 mth. ING JOSEF HRUŠKA TOP OIL SERVICES K.S.