Combustibilii obtinuti din biomasa (partea biodegradabila a produselor, deseurilor si reziduurilor din agricultura, silvicultura si industriile conexe, precum si partea biodegradabila a deseurilor industriale si urbane) ofera avantaje substantiale fata de cei conventionali, prin reducerea emisiilor de CO2, dar si a taxelor impuse autovehiculelor pentru emisiile poluante. De aceea, cercetatorii din Grupul de Excelenta de la Universitatea RWTH Aachen studiaza, inca din 2007, atat producerea noilor combustibili, cat si combustia in motor a acestora, cu optimizarea intregului lant de procese intermediare. Mai ales in situatia in care combustibilii deja utilizati pe motoarele diesel, dar cu proprietati adaptate, confirma posibilitatea realizarii unei arderi aproape fara emisii de funingine.
Pentru adaptarea la nevoile societatii moderne de a avea o mobilitate continua, cercetatorii au cautat diferite tipuri de minerale (fosile) pe care sa le utilizeze drept surse de energie. Astfel au reusit sa demonstreze potentialul mare al biomasei de a furniza combustibili cu emisii poluante – de tipul funinginii sau al oxizilor de azot – extrem de reduse. Insa dezvoltarea noilor tipuri de combustibili, in paralel cu folosirea resurselor reutilizabile, s-a dovedit a fi un subiect care necesita o cooperare intre stiintele naturii si inginerie. Ca atare, s-a impus infiintarea unui grup format din reprezentantii a 21 de institute din cadrul Universitatii RWTH Aachen (din biologie, chimie, inginerie si specialisti in combustie) care sa se ocupe de cercetarea noilor combustibili sintetici pentru autovehicule, obtinuti din biomasa.
Mai multe generatii de biocombustibili
Metodele industriale utilizate in prezent la producerea combustibilului din biomasa duc la ceea ce se numeste „prima generatie” de biocombustibili (B100), iar pentru aceasta sunt utilizate uleiuri vegetale si amidon. Insa culturile folosite la realizarea combustibililor concureaza direct cu productia plantelor alimentare si a celor pentru animale, mai ales ca doar semintele si fructele plantelor sunt folosite. Materialul vegetal, ca ierburile, tulpinile si lemnul, consta din ligno-celuloza, fiind un material complex alcatuit din trei polimeri: celuloza, hemiceluloza si lignin. Metodele industriale in care se utilizeaza ligno-celuloza duc la obtinerea asa-numitei „a doua generatie” de biocombustibili, BTL (Biomass-to-Liquid). In prezent, aceste tipuri sunt supuse testarilor tehnice.
Echipa de la Universitatea Aachen studiaza acum capacitatea de sinteza a naturii, conversia si modificarea biopolimerilor, insa doar din punct de vedere al utilizarii lor drept combustibil. Pentru asta au dezvoltat metode pentru conversia chimica a biomasei. In primul rand, ligno-celuloza trebuie impartita in cele trei componente ale sale, respectiv celuloza, hemiceluloza si lignin. Reactiile de tipul lichidelor ionice, care sunt alcatuite din ioni pozitivi sau negativi, dar care au un punct de topire mai mic de 100oC datorita structurii lor moleculare, sunt utilizate pentru spargerea acestor componente. Apoi, folosind diferite metode catalitice de conversie, componentele individuale pot fi convertite in moleculele dorite in combustibil.
Caracteristici ale noilor combustibili
Producerea biocombustibililor inovativi necesita in primul rand definirea proprietatilor necesare combustibililor de baza, ce pot fi utilizati printr-o optimizare ulterioara, si pe baza carora se va desfasura intregul proces de proiectare a combustibilului. Studiile realizate in trecut au aratat ca este posibila, cu siguranta, reducerea emisiilor in motoarele diesel conventionale doar prin simpla modificare a proprietatilor combustibilului. Aceste modificari vor fi incluse in proprietatile viitorului biocombustibil, in completarea cerintelor impuse continutului de oxigen, precum si numarului cetanic. Astfel, caracteristicile noilor tipuri de combustibili vor consta dintr-un continut de oxigen de circa 20% din masa, ca un compromis intre reducerea valorii calorice si potentialul de a reduce funingine, precum si din proprietati bune de evaporare, cu observarea punctului critic de aprindere in combustibilul diesel (>55oC, corespunzator standardului EN 590). In plus, trebuie urmarita si realizarea unor compatibilitati ale materialelor polimerizate utilizate, lipsa mirosului, dar si o lubrifiere adecvata, daca este necesar, prin intermediul aditivilor, sau o intarziere mai mare a aprinderii, pentru formarea unui amestec mai bun.
Motoarele, adaptate tipului de biocombustibil
In stransa legatura cu producerea de combustibili este si adaptarea proprietatilor motorului, mai ales in ceea ce priveste imbunatatirea performantei si a caracteristicilor emisiilor. Biocombustibilii din prima si a doua generatie (B100 si BTL) imita proprietatile combustibililor diesel conventionali, motorul necesitand doar ajustari minore. Pentru a utiliza intregul potential in termeni de emisii si consum, proprietatile viitorilor combustibili pot diferi considerabil de ale celor conventionali, facand necesara adaptarea acestora la proprietatile specifice sistemelor de combustie utilizate.
Cercetatorii de la TMFB Aachen studiaza comportamentul unui motor diesel cu un singur cilindru la alimentarea cu noile tipuri de combustibili, pentru a determina potentialul fiecaruia.
Analize comparative pe un motor cu un singur cilindru
Pentru a descoperi avantajele utilizarii unui anumit tip de biocombustibili, in cadrul studiului au fost comparati trei combustibili similari combustibilului diesel si un combustibil utilizat in studiile Universitatii TMFB Aachen. Astfel, alaturi de diesel, luat drept referinta, a fost analizat in motor uleiul de seminte de rapita metil-ester (B100, biodiesel) si un combustibil GTL (gas-to-liquid). Combustibilii GTL si BTL sunt identici ca metoda de productie (sinteza Fischer-Tropsch), chiar daca metanul este utilizat ca material de baza in locul biomasei. In schimb, cel de-al treilea combustibil propus de cercetatori pentru testul comparativ, 2-metiltetrahidrofuran (2-MTHF), este produs direct din celuloza, prin etape catalitice. 2-MTHF corespunde atat necesitatilor de obtinere a unei intarzieri a aprinderii, cat si cresterii continutului de oxigen din motor.
Motorul cu un singur cilindru utilizat in teste, cu o capacitate de 0,39 l, a fost proiectat astfel incat sa ofere niveluri minime de noxe si, in acelasi timp, o eficienta foarte buna a consumului de combustibil. Rata de compresie de 15:1 a fost aleasa pentru a putea furniza o presiune de varf, in ciuda cresterii densitatii sarcinii. Sistemul de combustie atinge o putere specifica de 80 kW/ l, la o presiune maxima de 190 de bari, folosind un sistem de injectie common-rail de la Bosch, cu o presiune maxima de 2.000 de bar. Pentru a optimiza caracteristicile fluxului, a fost proiectata o duza de admisie folosita pentru umplere si o a doua, utilizata ca duza de vartej, clasica. Geometria camerei de combustie a fost proiectata cu o forma conventionala de nisa, fiind apoi optimizata, impreuna cu geometria fantei, pentru a obtine cea mai buna utilizare posibila a aerului. Reducerea compresiei folosind o presiune de injectie maxima si imbunatatirea racirii EGR duc la o emisie minima de particule, corespunzand astfel, implicit, standardului Euro 6.
Analizarea noilor tipuri de biocombustibili necesita o alegere potrivita si a materialelor din care se realizeaza componentele polimer ale combustibilului. Etansarea traditionala (de la Viton si NBR) este potrivita noilor tipuri doar cu extensii limitate, mai ales de cand biocombustibilii utilizati in mod constant au favorizat atat umflarea, cat si scurgerile in sistem. In plus, studiile au demonstrat ca materialele realizate din Teflon sunt mult mai potrivite unui uz constant.
2-MTHF, cea mai buna solutie
Studiul a relevat faptul ca noii combustibili, realizati din biomasa, prezinta un potential crescut de reducere a emisiilor locale si globale de CO2. Utilizarea capacitatii de sinteza a naturii asigura disponibilitatea acestor combustibili ai viitorului de a oferi o eficienta energetica corespunzatoare. Prin utilizarea compusului 2-MTHF a fost insa posibila identificarea unui combustibil personalizat, care sa corespunda in cea mai mare parte cerintelor impuse unui produs complex. Din cauza oxigenului din combustibil, in combinatie cu o intarziere mai mare a aprinderii, emisiile de particule de noxe pot fi evitate aproape pe deplin, chiar si la ratele EGR cele mai bune. Dezavantajele ar putea fi insa zgomotele mai mari, precum si emisiile de HC si CO. Insa scopul sistemelor de combustie inovatoare, cu aprindere prin scanteie, ramane acela de a asigura aprinderea potrivita a amestecului combustibil/aer, chiar si la temperatura joasa, contribuind astfel la o oxidare completa.
