Διερεύνηση των επιπτώσεων της χρήσης βιοκαυσίμων σε κινητήρα ντήζελ

Abstract

Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει καθορίσει ως κοινό στόχο των κρατών μελών της την αύξηση του μεριδίου της ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και τη μείωση των αερίων του θερμοκηπίου και των ατμοσφαιρικών ρύπων. Η συνεισφορά του τομέα των μεταφορών στις συνολικές εκπομπές καυσαερίων είναι σημαντική. Η πολιτική της ΕΕ αντικατοπτρίζεται από τις οδηγίες 2009/28/ΕC και 2009/30/ΕC, με στόχο να αυξηθεί το ποσοστό των ανανεώσιμων πηγών στον τομέα των μεταφορών σε 10% και να μειωθούν οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά τουλάχιστον 6% έως το 2020, σε σύγκριση με τα επίπεδα των εκπομπών που σημειώθηκαν το 2010. Εντείνοντας τις προσπάθειες της, οι νέοι στόχοι για το 2030 είναι αφενός μεν το μερίδιο των ανανεώσιμων καυσίμων να ανέλθει στο 14%, αφετέρου δε, οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου να μειωθούν κατά 30% σε σύγκριση με τα επίπεδα των εκπομπών του 2021. Στον τομέα των μεταφορών η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη πηγή ενέργειας από ανανεώσιμες πρώτες ύλες είναι τα υγρά βιοκαύσιμα, τα οποία είναι συνήθως αναμεμιγμένα με ορυκτά καύσιμα. Το βιοντήζελ αποτελεί το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο βιοκαύσιμο σε παγκόσμιο επίπεδο και συνιστά το κύριο ανανεώσιμο υποκατάστατο του πετρελαϊκού ντήζελ. Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης διαφόρων βιοκαυσίμων τόσο στα ποιοτικά χαρακτηριστικά του πετρελαϊκού ντήζελ, όσο και στα χαρακτηριστικά απόδοσης των κινητήρων και στις εκπομπές καυσαερίων. Στην εργασία επιχειρείται η αύξηση του ανανεώσιμου περιεχομένου του πετρελαϊκού ντήζελ και η βελτίωση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του μέσω της ανάμιξης του με ανανεώσιμα καύσιμα, η οποία ταυτόχρονα θα συνοδεύεται από μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων. Η παρούσα μελέτη αποτελεί μία προσπάθεια εύρεσης τρόπων μείωσης των καυσαερίων που εκπέμπονται από κινητήρες ντήζελ και είναι επικεντρωμένη στον τομέα των καυσίμων και των βιοκαυσίμων, προτείνοντας μίγματα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κινητήρες ντήζελ, χωρίς την ανάγκη εφαρμογής τροποποιήσεων στους κινητήρες. Η διατριβή αποτελείται από 10 κεφάλαια, τα οποία είναι ταξινομημένα σε δύο ενότητες. Η πρώτη ενότητα αποτελείται από τέσσερα κεφάλαια στα οποία γίνεται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση. Η δεύτερη ενότητα απαρτίζεται από έξι κεφάλαια και αποτελεί το πειραματικό μέρος της παρούσας διατριβής. Στο πρώτο κεφάλαιο με τίτλο ‘‘Περιβάλλον και ατμοσφαιρική ρύπανση’’ γίνεται αναφορά στις πηγές εκπομπών ατμοσφαιρικών ρύπων, καθώς και στη συμβολή του τομέα των μεταφορών στις εκπομπές καυσαερίων. Επίσης, αναφέρονται οι δράσεις της Ευρωπαϊκής Ένωσης και οι διεθνείς πολιτικές για τον περιορισμό της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Το δεύτερο κεφάλαιο έχει τίτλο ‘‘Κινητήρας ντήζελ, λειτουργία, εκπομπές καυσαερίων και καύσιμα’’. Στην αρχή του κεφαλαίου γίνεται αναφορά στη λειτουργία των κινητήρων ντήζελ, καθώς και στα στάδια της καύσης. Στη συνέχεια αναλύονται οι εκπομπές καυσαερίων που προκύπτουν από τη λειτουργία των κινητήρων ντήζελ, αναφέρονται οι λόγοι σχηματισμού τους, καθώς και οι τεχνικές μείωσης των εκπομπών. Τέλος, γίνεται αναφορά στο πετρελαϊκό ντήζελ και στις φυσικοχημικές ιδιότητες του καυσίμου, οι οποίες αναλύονται συναρτήσει της επίδρασης τους στον κινητήρα ντήζελ και στις εκπομπές καυσαερίων. Στο τρίτο κεφάλαιο με τίτλο ‘‘Βιοντήζελ’’ αναφέρονται οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του βιοντήζελ, αναλύεται η διεργασία της μετεστεροποίησης των τριγλυκεριδίων και οι διεργασίες που ακολουθούνται κατά τη βιομηχανική παραγωγή του βιοντήζελ. Επίσης, αναφέρονται τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του καυσίμου και γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση της επίδρασης τόσο των πρώτων υλών παραγωγής του βιοντήζελ, όσο και του βιοντήζελ και των μιγμάτων ντήζελ/βιοντήζελ στα χαρακτηριστικά απόδοσης του κινητήρα ντήζελ και στις εκπομπές καυσαερίων. Έπειτα, πραγματοποιείται ανάλυση των μοντέλων που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη του κινηματικού ιξώδους των μιγμάτων των πετρελαιοειδών, καθώς και των εξισώσεων που έχουν κατασκευαστεί για την εκτίμηση του ιξώδους του αυτούσιου βιοντήζελ και των μιγμάτων του με συμβατικό ντήζελ. Το τέταρτο κεφάλαιο με τίτλο ‘‘Ανανεώσιμα εναλλακτικά καύσιμα για κινητήρες ντήζελ’’ ολοκληρώνει τη βιβλιογραφική ανασκόπηση. Πραγματεύεται τη χρήση του παραφινικού καυσίμου HVO (Hydrotreated Vegetable Oil) και αλκοολών ως υποκατάστατα του πετρελαϊκού ντήζελ. Αρχικά, γίνεται αναφορά στη διεργασία παραγωγής του HVO, την υδρογονοεπεξεργασία των ελαίων και λιπών, και στη βιομηχανική παραγωγή του παραφινικού καυσίμου. Πραγματοποιείται σύγκριση ανάμεσα στο βιοντήζελ και στο παραφινικό ντήζελ, εντοπίζοντας τις βασικές διαφορές τους και γίνεται ανάλυση του κύκλου ζωής και των δύο ανανεώσιμων καυσίμων. Επιπρόσθετα, αναλύονται οι φυσικοχημικές ιδιότητες του HVO και αναφέρεται η επίδραση του στην απόδοση του κινητήρα και στις εκπομπές ρύπων. Επίσης, γίνεται αναφορά στη χρήση αλκοολών ως υποκατάστατο του πετρελαϊκού ντήζελ, πραγματοποιείται ανάλυση της δυνατότητας παραγωγής βιο-αλκοολών μέσω βιολογικών διεργασιών, και συγκρίνονται τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των αλκοολών με τα χαρακτηριστικά του συμβατικού ντήζελ. Τέλος, πραγματοποιείται ανασκόπηση της επίδρασης των αλκοολών μικρού και μεγάλου μοριακού βάρους στα χαρακτηριστικά απόδοσης του κινητήρα ντήζελ και στις εκπομπές καυσαερίων. Το κεφάλαιο 5 με τίτλο ‘‘Πειραματική διαδικασία’’ αποτελεί το πρώτο κεφάλαιο του πειραματικού μέρους της διατριβής. Γίνεται αναφορά στα καύσιμα που χρησιμοποιηθήκαν στην παρούσα εργασία και στις φυσικοχημικές τους ιδιότητες. Επίσης, πραγματοποιείται ανάλυση της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της επίδρασης των καυσίμων στις εκπομπές καυσαερίων και των συνθηκών μελέτης, οι οποίες ακολουθήθηκαν καθ’ όλη τη διάρκεια των πειραματικών μετρήσεων. Αναφέρονται τα χαρακτηριστικά του κινητήρα ντήζελ και των συσκευών μέτρησης των εκπεμπόμενων καυσαερίων που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή των πειραματικών μετρήσεων. Έπειτα, γίνεται αναφορά στις μεθόδους προσδιορισμού των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των εξεταζόμενων καυσίμων, όπου πραγματοποιείται εκτενής ανάλυση των συσκευών προσδιορισμού του αριθμού κετανίου και της οξειδωτικής σταθερότητας των καυσίμων. Το Κεφάλαιο 6 με τίτλο ‘‘Αξιολόγηση μιγμάτων ντήζελ/βιοντήζελ’’ αναφέρεται στη μελέτη της προσθήκης διαφόρων ποσοστών βιοντήζελ στο πετρελαϊκό ντήζελ και χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος επικεντρώνεται στην επίδραση του βιοντήζελ στο κινηματικό ιξώδες του ντήζελ, όπου αξιολογήθηκε η εφαρμογή δώδεκα εμπειρικών μοντέλων πρόβλεψης του ιξώδους των πετρελαιοειδών στην εκτίμηση του ιξώδους των διαφόρων μιγμάτων ντήζελ/βιοντήζελ. Χρησιμοποιήθηκε μία μήτρα καυσίμων αποτελούμενη από τρία καύσιμα ντήζελ και εφτά βιοντήζελ, τα οποία αναμίχθηκαν σε διάφορα ποσοστά, δίνοντας 231 μίγματα και 21 σειρές μιγμάτων. Στη συνέχεια, εφτά εξισώσεις πρόβλεψης τροποποιήθηκαν, προκειμένου να επιτευχθεί πιο ακριβής πρόβλεψη του ιξώδους των μιγμάτων ντήζελ/βιοντήζελ. Στα πλαίσια της μελέτης, αναπτύχθηκαν τέσσερα νέα μοντέλα για τον υπολογισμό παραμέτρων των ήδη υπαρχόντων εξισώσεων, επιτυγχάνοντας συσχέτιση των πειραματικών τιμών του ιξώδους όλων των μιγμάτων με τις προβλεπόμενες τιμές κατά 99,7%. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου διερευνήθηκε η επίδραση του βιοντήζελ στα ποιοτικά χαρακτηριστικά του συμβατικού ντήζελ, καθώς και στη λειτουργία του κινητήρα ντήζελ και στις εκπομπές καυσαερίων. Προκειμένου να διερευνηθεί εκτεταμένα η επίδραση του βιοντήζελ, τρία δείγματα βιοντήζελ, προερχόμενα από διαφορετικές πρώτες ύλες, αναμίχθηκαν σε διάφορες αναλογίες με τρία καύσιμα ντήζελ, τα οποία διαφοροποιούνταν ως προς τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες, παρασκευάζοντας τέσσερις σειρές μιγμάτων. Η περιεκτικότητα των μιγμάτων σε βιοντήζελ κυμάνθηκε από 5% έως 75% κ.ο. και αυξήθηκε με διαφορετικό βήμα ανάμεσα στις σειρές μετρήσεων. Αρχικά, διερευνήθηκε η επίδραση του βιοντήζελ στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των μιγμάτων, απ’ όπου προέκυψαν οι επιτρεπτές αναλογίες ανάμιξης προκειμένου να ικανοποιείται το ΕΝ 590. Εν συνεχεία, διενεργήθηκαν μετρήσεις σε κινητήρα ντήζελ και αξιολογήθηκε η επίδραση των μιγμάτων στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές καυσαερίων. Οι εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα των δειγμάτων βιοντήζελ και των μιγμάτων σημείωσαν μείωση σε σύγκριση με το ντήζελ κατά τη λειτουργία αυξημένης ισχύος του κινητήρα και η συγκέντρωση των εκπεμπόμενων σωματιδίων παρουσίασε σημαντική μείωση σε όλα τα εξεταζόμενα φορτία. Παρατηρήθηκε ότι η υποκατάσταση του ντήζελ από το βιοντήζελ οδηγεί σε αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου, της θερμοκρασίας καυσαερίων και των εκπεμπόμενων NOx, ιδιαίτερα στα υψηλά φορτία λειτουργίας του κινητήρα. Στο κεφάλαιο 7, με τίτλο ‘‘Χρήση του HVO ως υποκατάστατο του πετρελαϊκού ντήζελ’’, διερευνήθηκε η προσθήκη του συνθετικού παραφινικού ντήζελ στο συμβατικό ντήζελ, εξετάζοντας τη μεταβολή των φυσικοχημικών του ιδιοτήτων με την αυξανόμενη συγκέντρωση του HVO. Χρησιμοποιήθηκαν τα ίδια καύσιμα ντήζελ με το κεφάλαιο 6, παρασκευάζοντας τρεις σειρές μιγμάτων διαφόρων αναλογιών ντήζελ/HVO, από 5% έως 75% κ.ο., χρησιμοποιώντας διαφορετικό βήμα. Η προσθήκη του HVO στα καύσιμα ντήζελ συνέβαλε στη βελτίωση της ποιότητας ανάφλεξης των καυσίμων και των ιδιοτήτων ψυχρής ροής τους. Τα μίγματα ντήζελ/HVO, σε συνδυασμό με μία σειρά μιγμάτων βιοντήζελ/HVO εξετάστηκαν σε κινητήρα ντήζελ. Σύμφωνα με τις μετρήσεις που διενεργήθηκαν στον κινητήρα, η αυξανόμενη προσθήκη του HVO στα μίγματα μείωσε σημαντικά το σύνολο των εκπομπών καυσαερίων στα χαμηλά και μεσαία φορτία λειτουργίας του κινητήρα, συγκριτικά με τα καύσιμα πετρελαϊκού ντήζελ. Συγκριτικά μικρότερες μειώσεις εντοπίστηκαν στις εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα και σωματιδίων κατά τη λειτουργία αυξημένης ισχύος του κινητήρα, ενώ η συγκέντρωση των οξειδίων του αζώτου δεν παρουσίασε σημαντικές μεταβολές με τη χρήση των μιγμάτων ντήζελ/HVO. Το κεφάλαιο 8 με τίτλο ‘‘Αξιολόγηση τριαδικών μιγμάτων ντήζελ/βιοντήζελ/HVO’’ αναφέρεται στη μελέτη της επίδρασης των τριαδικών καυσίμων στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των καυσίμων βάσης, καθώς και στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές καυσαερίων. Παρασκευάστηκαν τριαδικά μίγματα χρησιμοποιώντας τα καύσιμα βάσης που εξετάστηκαν στα δύο προηγούμενα κεφάλαια και προέκυψαν τέσσερις σειρές μετρήσεων. Οι σειρές απαρτίζονταν από μίγματα με 10%, 20%, 30% και 40% περιεκτικότητα σε ανανεώσιμα καύσιμα, όπου αυξανόταν με διαφορετικό βήμα το ποσοστό προσθήκης του HVO. Κατόπιν διερευνήθηκαν οι φυσικοχημικές τους ιδιότητες και μελετήθηκε η αντιστάθμιση των χαρακτηριστικών των δυαδικών μιγμάτων, τα οποία απέκλιναν από τα όρια που θέτει το ΕΝ590. Εν συνεχεία, τα μίγματα εξετάστηκαν σε κινητήρα ντήζελ και αξιολογήθηκαν, προκειμένου να προταθούν οι κατάλληλες αναλογίες ανάμιξης για την παρασκευή μιγμάτων, τα οποία συμβάλουν θετικά αφενός μεν στην αύξηση του ανανεώσιμου περιεχομένου των καυσίμων, αφετέρου δε στη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων. Παρατηρήθηκε ότι η χρήση του HVO ως συστατικό ανάμιξης οδηγεί σε μείωση τόσο της κατανάλωσης καυσίμου, όσο και του συνόλου των εκπεμπόμενων ρύπων σε σύγκριση με τις εκπομπές που προέκυψαν από τα μίγματα ντήζελ/βιοντήζελ. Επιπρόσθετα, διαπιστώθηκε ότι για τη δημιουργία τριαδικών μιγμάτων με περιεκτικότητα σε ανανεώσιμα καύσιμα ≥ 20% κ.ο. απαιτείται προσθήκη ίσης ή μεγαλύτερης ποσότητας HVO απ’ ότι βιοντήζελ, προκειμένου να αντιστραφούν οι τάσεις αύξησης των NOx που εμφάνισε το βιοντήζελ και να επιτευχθούν χαμηλότερες εκπομπές οξειδίων του αζώτου σε σύγκριση με τα πετρελαϊκά ντήζελ. Επίσης, τα τριαδικά μίγματα έδρασαν ευεργετικά ως προς τη μείωση των εκπομπών CO, καθώς και των σωματιδίων. Συγκεκριμένα εντοπίστηκε περαιτέρω μείωση των σωματιδίων σε σύγκριση με τις χαμηλές εκπομπές των δυαδικών καυσίμων, ενώ επιτεύχθηκε ταυτόχρονη μείωση τόσο των οξειδίων του αζώτου, όσο και των σωματιδίων. Ο αυξημένος αριθμός των δειγμάτων που εξετάστηκαν επέτρεψε τη μελέτη της επίδρασης των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των καυσίμων στις εκπομπές καυσαερίων, μελετώντας τα πειραματικά δεδομένα που προέκυψαν από την εξέταση όλων των καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν στα κεφάλαια 6, 7 και 8, στο σύνολο 105 καυσίμων. Προέκυψαν συμπεράσματα για την επίδραση του αριθμού κετανίου, της πυκνότητας και του ιξώδους των καυσίμων, καθώς του περιεχομένου τους σε οξυγόνο στους εκπεμπόμενους ρύπους. Επίσης, μελετήθηκε η μεταβολή της επίδρασης των ιδιοτήτων στους ρύπους κατά την επιβολή διαφορετικών φορτίων στον κινητήρα. Διαπιστώθηκε ότι η αύξηση του αριθμού κετανίου των καυσίμων οδήγησε σε χαμηλότερες εκπομπές CO και NOx, κυρίως στα χαμηλά και μεσαία φορτία λειτουργίας του κινητήρα, ενώ το περιεχόμενο των καυσίμων σε οξυγόνο αποτέλεσε αιτία μείωσης του CO και αύξησης των NOx στα υψηλά φορτία. Επίσης, εντοπίστηκε συσχέτιση των ρύπων με την πυκνότητα των καυσίμων, ενώ αντίθετα το κινηματικό ιξώδες δεν συσχετίστηκε με τις συγκεντρώσεις των καυσαερίων. Στο Κεφάλαιο 9, με τίτλο ‘‘Χρήση αλκοολών ως υποκατάστατο του ντήζελ’’, εξετάστηκε η χρήση αλκοολών μεγάλου μοριακού βάρους, εξανόλης και οκτανόλης, σε κινητήρα ντήζελ, καθώς οι εξελίξεις στη μεταβολική μηχανική και στη μηχανική σύνθεσης, επιτρέπουν την παραγωγή ανώτερων αλκοολών από σακχαρούχες, αμυλούχες και κυτταρινούχες πρώτες ύλες, μέσω διεργασιών βιοσύνθεσης. Παράλληλα, μελετήθηκε και η προσθήκη των ανώτερων αλκοολών σε μίγματα ντήζελ/βιοντήζελ, κατασκευάζοντας τριαδικά μίγματα ντήζελ/βιοντήζελ/εξανόλης και ντήζελ/βιοντήζελ/οκτανόλης. Διερευνήθηκε η επίδραση των αλκοολών τόσο στα ποιοτικά χαρακτηριστικά του ντήζελ, όσο και στις εκπομπές καυσαερίων. Στο σημείο αυτό δόθηκε έμφαση στις επιπτώσεις των οξυγονούχων καυσίμων στις εκπομπές οξειδίων του αζώτου, οι οποίες εμφανίζουν τάσεις αύξησης με τη αύξηση της περιεκτικότητας των καυσίμων σε οξυγόνο. Παρατηρήθηκε ότι η προσθήκη εξανόλης στο ντήζελ οδηγεί σε αύξηση των NOx σε όλα τα φορτία λειτουργίας του κινητήρα, ενώ η προσθήκη οκτανόλης προκαλεί αύξηση των NOx μόνο κατά τη λειτουργία αυξημένης ισχύος του κινητήρα. Οι εκπομπές σωματιδίων σημείωσαν σημαντικές μειώσεις με την προσθήκη και των δύο αλκοολών στο ντήζελ. Επίσης, διαπιστώθηκε ότι με τον κατάλληλο σχεδιασμό των τριαδικών μιγμάτων μπορεί να αποφευχθούν οι τάσεις αύξησης των οξειδίων του αζώτου, μειώνοντας παράλληλα τις εκπομπές σωματιδίων και αυξάνοντας το ποσοστό των ανανεώσιμων οξυγονούχων καυσίμων. Στο Κεφάλαιο 10, με τίτλο ‘‘Συμπεράσματα’’, συνοψίζονται τα συμπεράσματα που εξάχθηκαν από τα αποτελέσματα της διατριβής. Κατόπιν της εκτεταμένης μελέτης των μιγμάτων ντήζελ/βιοντήζελ φάνηκε ότι η αυξανόμενη περιεκτικότητα των μιγμάτων σε βιοντήζελ παρουσιάζει τάσεις αύξησης των οξειδίων του αζώτου και μείωσης των σωματιδίων. Επίσης, έγινε αντιληπτό ότι η χρήση του συνθετικού ντήζελ είτε ως υποκατάστατο του πετρελαϊκού ντήζελ, είτε ως συστατικό ανάμιξης των τριαδικών μιγμάτων, συντελεί στην ταυτόχρονη μείωση των εκπεμπόμενων NOx και των σωματιδίων. Διαπιστώθηκε ότι ο αριθμός κετανίου και το περιεχόμενο των καυσίμων σε οξυγόνο αποτελούν ιδιότητες ‘‘κλειδιά’’ για τον περιορισμό των εκπεμπόμενων ρύπων. Επίσης, διαπιστώθηκε ότι μέσω κατάλληλων στρατηγικών ανάμιξης του ντήζελ με το βιοντήζελ, το HVO και τις ανώτερες αλκοόλες μπορεί να επιτευχθεί μείωση του συνόλου των καυσαερίων, ενισχύοντας παράλληλα τον ανανεώσιμο χαρακτήρα των καυσίμων. Η αύξηση του περιβαλλοντικού προφίλ και του ανανεώσιμου περιεχομένου των καυσίμων, σε συνδυασμό με την μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων συμβαδίζει απόλυτα με τις οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, με απώτερο σκοπό την απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα και τη βελτίωση της ποιότητας της ατμόσφαιρας.