Επίδραση της προσθήκης βιο-αιθανόλης και ΕΤΒΕ στις ιδιότητες κλασμάτων βενζίνης

Abstract

Στα πλαίσια της προσπάθειας της Ευρωπαϊκής Ένωσης να ενισχύσει την χρήση των ανανεώσιμών καυσίμων τροποποιήθηκε το πρότυπο ΕΝ 228, διευρύνοντας την μέγιστη επιτρεπόμενη περιεκτικότητα σε αιθανόλη από 5% σε 10% κ.ο. Γνωρίζοντας ότι η προσθήκη της αιθανόλης στην βενζίνη επηρεάζει σημαντικά κάποιες ιδιότητες της, με αποτέλεσμα να υπερβαίνουν τα όρια της προδιαγραφής, συχνά απαιτείται η χρήση ενός ακόμα πρόσθετου του ΕΤΒΕ, που είναι παράγωγο της αιθανόλης. Στόχος της παρούσας διπλωματικής ήταν η διερεύνηση των επιπτώσεων της προσθήκης βιο-αιθανόλης και ΕΤΒΕ στα κλάσματα της βενζίνης. Η αιθανόλη και το ΕΤΒΕ ανήκουν στην κατηγορία των οξυγονούχων συστατικών, για τα οποία προβλέπονται συγκεκριμένες προδιαγραφές για την χρήση τους. Το πρότυπο ΕΝ 228:2012 κατηγοριοποιεί τα καύσιμα σε δύο κατηγορίες ανάλογα με την περιεκτικότητα τους σε οξυγόνο. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα καύσιμα με περιεκτικότητα 2,7% κ.β. και διαφέρουν από την δεύτερη κατηγορία καθώς δεν υπάρχουν ανώτατα όρια για την περιεκτικότητα στα επιμέρους οξυγονούχα συστατικά. Στην δεύτερη κατηγορία με περιεκτικότητα 3,7% κ.β. οι επιμέρους περιεκτικότητες είναι καθορισμένες αλλά παράλληλα έχουν διαμορφωθεί αντίστοιχα και άλλες ιδιότητες ώστε να καταστεί δυνατή η προσθήκη της επιπλέον αιθανόλης στο τελικό καύσιμο. Οι σημαντικότερες ιδιότητες που επηρεάζονται από την προσθήκη της αιθανόλης είναι αυτές που σχετίζονται με την πτητικότητα του καυσίμου. Συγκεκριμένα οι ιδιότητες που μεταβάλλονται και μελετήθηκαν στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής είναι η καμπύλη απόσταξης, η τάση ατμών, η πυκνότητα και ο αριθμός οκτανίου. Για τις ιδιότητες που αφορούν την πτητικότητα του καυσίμου, δηλαδή την τάση ατμών και την καμπύλη απόσταξης, τα όρια που προβλέπονται από το πρότυπο ΕΝ 228:2012 έχουν διευρυνθεί ώστε να γίνει δυνατή η χρήση της αιθανόλης. Για την μελέτη της επίδρασης της αιθανόλης και του ΕΤΒΕ στις παραπάνω ιδιότητες παρασκευάστηκε ένα σύνολο αρχικά 60 δειγμάτων αποτελούμενων από βενζίνη βάσης και διαφορετικές αναλογίες από τα δύο προς μελέτη οξυγονούχα πρόσθετα. Από το σύνολο των 60 δειγμάτων, τα μισά αντιπροσωπεύουν εκείνα που βασίζονται σε βενζίνη βάσης χειμερινών προδιαγραφών και τα άλλα μισά εκείνα που βασίζονται σε βενζίνη βάσης καλοκαιρινών προδιαγραφών. Η σύσταση που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή της βενζίνης βάσης και στις δύο περιπτώσεις είναι αντίστοιχη με αυτής που χρησιμοποιείται από τα Ελληνικά Πετρέλαια Στα 60 αρχικά δείγματα που παρασκευάστηκαν η περιεκτικότητα σε αιθανόλη κυμαινόταν από 0 έως 10 % κ.ο με βήμα 2 και το ΕΤΒΕ από 0 έως 20% κ.ο. με βήμα 5 αντίστοιχα. Κατά την διάρκεια των μετρήσεων κρίθηκε απαραίτητη η επέκταση του συνόλου των δειγμάτων με στόχο την περεταίρω διερεύνηση των ιδιοτήτων των δειγμάτων με περιεκτικότητες σε αιθανόλη από 0 έως 8% κ.ο. με βήμα 1 και σε ΕΤΒΕ από 0 έως 20 % κ.ο. με βήμα 2,5. Βασικό κριτήριο στην επιλογή του φάσματος των συστάσεων στις οποίες επικεντρώθηκε η ερεύνα ήταν η εκτίμηση της περιεκτικότητας των δειγμάτων σε οξυγόνο, η οποία και δεν πρέπει να υπερβαίνει το 3,7% κ.β. σύμφωνα με το πρότυπο. Οι μετρήσεις για την καμπύλη απόσταξης των δειγμάτων πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ ISO 3405 και έλαβαν χώρα στο Χημείο των Ελληνικών Πετρελαίων στον Ασπρόπυργο. Για τις μετρήσεις της τάσης ατμών και της πυκνότητας ακολουθήθηκαν τα πρότυπα ΕΝ ISO 13016-1 και ΕΝ ISO 12185 αντίστοιχα, και πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Τεχνολογίας Καυσίμων και Λιπαντικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Στον ίδιο χώρο και με χρήση υπέρυθρης φασματοσκοπίας, η οποία παρέχει εκτιμήσεις για τις τιμές των ιδιοτήτων, πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις της περιεκτικότητας σε οξυγόνο και του αριθμού οκτανίου. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων για την καμπύλη απόσταξης προέκυψε πως η προσθήκη της αιθανόλης προκαλεί έντονη μεταβολή στην ανάκτηση σε θερμοκρασία περίπου 70℃ (Ε70) και επομένως αύξηση στην πτητικότητα του καυσίμου στην ευρύτερη περιοχή γύρω από αυτή την θερμοκρασία. Το ΕΤΒΕ προκαλεί παρόμοια παραμόρφωση στην καμπύλη απόσταξης με την διαφορά ότι εμφανίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες, μετά τους 80℃ και περίπου μέχρι τους 140℃. Τα τριαδικά μίγματα αιθανόλης/ΕΤΒΕ/βενζίνης βάσης παρουσιάζουν μια ενδιάμεση συμπεριφορά, στην οποία η καμπύλη απόσταξης μετατοπίζεται σε όλο το φάσμα θερμοκρασιών από τους 70 μέχρι τους 140℃ αλλά με μικρότερη ένταση. Όσον αφορά τις μετρήσεις για την τάση ατμών των δειγμάτων παρατηρήθηκε ιδιαίτερη αύξηση για τα δυαδικά μίγματα αιθανόλης και βενζίνης βάσης, ενώ αντίθετα για τα δυαδικά μίγματα ΕΤΒΕ και βενζίνης βάσης παρατηρήθηκε μείωση της τιμής της. Οι δυο αυτές αντίρροπες τάσεις της αιθανόλης και του ΕΤΒΕ αντικατοπτρίζονται στην τάση ατμών των τριαδικών δειγμάτων στα οποία παρόλη την αρχική αύξηση των τιμών τους στη συνέχεια παρουσιάζεται σταθεροποίηση και σε κάποιες περιπτώσεις μείωση τους. Η πυκνότητα παρουσιάζει σχεδόν γραμμική αύξηση με την προσθήκη τόσο του ΕΤΒΕ όσο και του μίγματος αιθανόλης/ΕΤΒΕ. Η ίδια τάση παρατηρείται και στα δυαδικά μίγματα αιθανόλης/βενζίνης βάσης με ελαφρές όμως αποκλίσεις από την ιδανικότητα. Για τον αριθμό οκτανίου η προσθήκη είτε της αιθανόλης είτε του ΕΤΒΕ αλλά είτε και των δύο μαζί έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του, γεγονός που είναι αναμενόμενο καθώς τα δύο αυτά συστατικά έχουν ιδιαίτερα υψηλούς αριθμούς οκτανίου μεμονωμένα. Απόρροια των παραπάνω είναι πως η χρησιμοποίηση της αιθανόλης ως συστατικό ανάμιξης επιφέρει σημαντικές μεταβολές στην πτητικότητα του καυσίμου, οι οποίες και το θέτουν στις περισσότερες περιπτώσεις εκτός προδιαγραφών. Επομένως η ταυτόχρονη προσθήκη του ΕΤΒΕ στο καύσιμο κρίνεται απαραίτητη ώστε να επιτευχθεί μείωση των επιπτώσεων και τοποθέτηση του καυσίμου εντός των ορίων που προβλέπονται από τη νομοθεσία. Συμπεραίνεται επίσης ότι οι αλλαγές που έγιναν στο πρότυπο ΕΝ 228 σχετικά με τους δείκτες της πτητικότητα αποτελούν αναγκαία προϋπόθεση για την προσθήκη βιο-αιθανόλης στα καύσιμα. Τέλος παρατηρήθηκε ότι με την χρησιμοποίηση των κατάλληλων αναλογίων για την αιθανόλη και το ΕΤΒΕ προκύπτουν τελικά μίγματα που πληρούν το σύνολο των προδιαγραφών.

Within the framework of the European Union's effort to enhance the use of renewable fuels the standard EN 228 was amended, expanding the maximum allowable ethanol content of 5% to 10% by volume. With the knowledge that the addition of ethanol to gasoline significantly affects some properties, thereby exceeding the limits of the specification, the use of one more additive, in this case ETBE, a component derived from ethanol is required. The aim of the present thesis was to investigate the effects of bio-ethanol and ETBE addition on the properties of gasoline fractions. From the results obtained, it is concluded that the use of ethanol as a blending component brings about significant changes in fuel volatility which does not allow it to meet certain specifications in most cases. Therefore, the simultaneous addition of ETBE in fuel is necessary in order to achieve a reduction of the impacts and the placement of fuel within the limits the legislation determines. It is also concluded that the amendments made to standard EN 228 regarding volatility indicators, constitute a necessary prerequisite for adding bio-ethanol in fuels. Finally it was observed that using the appropriate ethanol to ETBE ratio delivered final mixtures that meet all specifications.