ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΑ ΚΑΙ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ

Transcript

1 ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΑ ΚΑΙ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Μερκούριος Γώγος Εργαστηριακός Συνεργάτης

2 ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 1. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ 2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ 3. ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 4. ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΕ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 5. ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΕ ΟΧΗΜΑ ΠΑΛΑΙΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ 2

3 ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 1. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ 3

4 Προβλήματα που αναζητούν λύσεις Μείωση αποθεμάτων αργού πετρελαίου με ταυτόχρονη αύξηση της ζήτησης Αύξηση τιμής Φαινόμενο του θερμοκηπίου ενίσχυση από ανθρωπογενείς δραστηριότητες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου αποψίλωση δασών 4

5 BP Statistical Review of World Energy June 2007 Εξέλιξη τιμής αργού πετρελαίου

6 Φθηνό πετρέλαιο; - Τέλος! 6

7 Αύξηση CO 2 στην ατμόσφαιρα Για περίπου χρόνια η συγκέντρωση του CO 2 στην ατμόσφαιρα ήταν σταθερή στα 280 ppm CO2 ppm έτος Μετά τη βιομηχανική επανάσταση αυξήθηκε κατά 36% Τα τελευταία χρόνια αυξάνεται κατά 2ppm ανά έτος World Resources Institute,

8 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (1/2) UNEP/GRID-Arendal,

9 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (2/2) UNEP/GRID-Arendal,

10 Ο κύκλος του άνθρακα 10

11 Βιοκαύσιμα Πλεονεκτήματα Μείωση εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα Μείωση έντασης φαινομένου θερμοκηπίου Ενίσχυση αγροτικού εισοδήματος Θέσεις εργασίας Μειονεκτήματα Ανταγωνισμός με είδη διατροφής Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 11

12 Αλλαγές χρήσεων γης UNFCCC, 2008 ΗπερίπτωσητηςΒραζιλίας: Κατανομή εκπομπών GHG σε ισοδύναμο CO 2 12

13 ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ 13

14 Παραγωγή βιοαιθανόλης 14

15 Ενεργειακό ισοζύγιο βιοαιθανόλης Δημητριακά Ξύλο Καλαμπόκι Άχυρα σιταριού Ζαχαρολότευτλα Ζαχαροκάλαμο Ενεργειακό ισοζύγιο (εκροές/εισροές) Macedo et al., 2004, USDA, 2001, 2002 & DTI

16 Κόστος παραγωγής (2006) Ζαχαροκάλαμο (Βραζιλία) Κυτταρίνη Δημητριακά (Ε.Ε.) Καλαμπόκι (Η.Π.Α.) Βενζίνη (χονδρ.) Συνθετική Βενζίνη (F-T) Παρόν Μέλλον Ευρώ ανά λίτρο ισοδύναμης βενζίνης Worldwatch Institute,

17 Εκπομπές GHG βιοαιθανόλης Ποσοστά μείωσης εκπομπών σε σχέση με την πρώτη ύλη και την ενέργεια των διεργασιών, σε σύγκριση με τη βενζίνη 19% 28% 52% Η παραγόμενη από καλαμπόκι αιθανόλη με τη μέθοδο wet-mill και ενέργεια από κάρβουνο έχει μεγαλύτερες εκπομπέςαπότηβενζίνη κατά 4% (EPA, 2007) 78% 86% Βενζίνη Καλαμπόκι Ζαχαροκάλαμο Κυτταρίνη U.S. DoE, 2007 Πετρέλαιο Μ.Ο. σήμερα Φυσικό αέριο Βιομάζα Βιομάζα Βιομάζα 17

18 Παραγωγή βιοαιθανόλης % 4% 4% 50% 38% Η.Π.Α. Βραζιλία Ε.Ε. Κίνα Υπόλ. χώρες F.O.Licht,

19 Παραγωγή βιοαιθανόλης στην Ευρώπη Δημητριακά 44% Καλαμπόκι 8% Οινοποιία 7% Άλλες 17% Κατανομή πρώτων υλών Ζαχαρότευτλα 24% Strube-Dieckman,

20 Κατανάλωση βιοκαυσίμων στην Ε.Ε. (2008) EurObserv ER,

21 Οδηγία 2003/30/EC EurObserv ER,

22 ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 3. ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 22

23 Η αιθανόλη ως καύσιμο Μ.Ε.Κ. Δεν είναι νέα ιδέα! 1826 Samuel Morey 1860 Nicholas Otto 1896 Henry Ford Quadricycle 1908 Ford Model T 1920 Δεκαετία επικράτησης βενζίνης 1973 Πετρελαϊκή κρίση 1975 Πρόγραμμα "Proálcohol στη Βραζιλία 2003 Οδηγία 2003/30/EC προωθεί τη χρήση βιοκαυσίμων 23

24 Ιδιότητες αιθανόλης με επίδραση στις Μ.Ε.Κ. περιεχόμενο οξυγόνο αριθμός οκτανίου κατώτερη θερμογόνος δύναμη διαλυτότητα στο νερό λανθάνουσα θερμότητα εξαέρωσης λόγος αερίων προϊόντων προς αντιδρώντα θερμοκρασία και ταχύτητα διάδοσης φλόγας πτητικότητα ανάμειξη με βενζίνη διαβρωτική ικανότητα 24

25 Περιεχόμενο οξυγόνο C 2 H 5 OH Άνθρακας Υδρογόνο Οξυγόνο Σύνθεση κατά βάρος Αιθανόλη Βενζίνη 52.2% 85-88% 13.1% 12-15% 34.7% 0 Diesel 84-87% 13-16% 0 φτωχότερομίγμαστοθάλαμοκαύσης καλύτερη καύση (μείωση εκπομπών CO) Βενζίνη 14.7 Στοιχειομετρική αναλογία αέρα/καυσίμου Diesel Αιθανόλη E

26 Αριθμός οκτανίου RON MON (R+M)/2 70 Απλή αμόλυβδη MTBE Αιθανόλη TAME ETBE RFA, 2005 Μεγαλύτερος από τη βενζίνη μείωση κτυπήματος κινητήρα Μεγαλύτερος βαθμός συμπίεσης αύξηση ισχύος κινητήρα 26

27 Κατώτερη θερμογόνος δύναμη Μικρότερη σε σχέση με τη βενζίνη Αιθανόλη: kj/kg Βενζίνη: kj/kg περιέχει περίπου Βενζίνη τα 2/3 της ενέργειας της βενζίνης Αιθανόλη λιγότερα km ανά λίτρο ανάγκη μεγαλύτερης δεξαμενής καυσίμου ή συχνότερου ανεφοδιασμού 27

28 Θερμογόνος δύναμη Brusstar, 2005 Στα μίγματα με ποσοστό αιθανόλης έως και 60% η μειωμένη θερμογόνος δύναμη (κατά 20%) μπορεί να αντισταθμιστεί με βελτιώσεις του κινητήρα. 28

29 Διαλυτότητα στο νερό (1/3) μικρή μοριακή μάζα Αιθανόλη g Βενζίνη g Diesel 200 g περίπου ισχυρή πολική ένωση 100% διαλυτή στο νερό Η παρουσία μικρής ποσότητας νερού σε μίγμα βενζίνης/αιθανόλης προκαλεί τον διαχωρισμό των φάσεων. 29

30 Διαλυτότητα στο νερό (2/3) Διαχωρισμός των φάσεων Tanknology, Inc. 30

31 Διαλυτότητα στο νερό (3/3) 15 º C David Korotney 31

32 Επιπτώσεις διαχωρισμού φάσεων Ο διαχωρισμός των φάσεων των μιγμάτων μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία πάγου στις σωληνώσεις του κυκλώματος τροφοδοσίας. Στα οχήματα εναλλακτικού καυσίμου (FFV), η παρουσία νερού στο καύσιμο μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργία του αισθητήρα καυσίμου. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται αποτελεσματικά με τη χρήση χημικών προσθέτων. 32

33 Λανθάνουσα θερμότητα εξαέρωσης πολύ υψηλότερη από τη βενζίνη Αιθανόλη: Βενζίνη: kj/kg kj/kg αύξηση ισχύος μηχανής αύξηση ογκομετρικού βαθμού απόδοσης προβλήματα κατά την ψυχρή εκκίνηση 33

34 Λόγος αερίων προϊόντων προς αντιδρώντα μεγαλύτερη αναλογία H/C Αιθανόλη: 0.25 w/w Βενζίνη: ~0.15 w/w η αιθανόλη παράγει μεγαλύτερο όγκο αερίων ανά μονάδα ενέργειας αύξηση μέσης πίεσης απόδοση 7% μεγαλύτερου έργου (Bailey, 1996) 34

35 Θερμοκρασία φλόγας λίγο μικρότερη από αυτή της βενζίνης Αιθανόλη: 1930 ºC Βενζίνη: 1977 ºC Diesel: 2054 C μεγαλύτερος θερμικός βαθμός απόδοσης (λόγω μειωμένων απωλειών θερμότητας) μείωση εκπομπών NO x 35

36 Ταχύτητα διάδοσης φλόγας Brusstar & Bakenhus, 2005 Η ταχύτητα διάδοσης της φλόγας της αιθανόλης είναι μεγαλύτερη από τη βενζίνη σε όλο το φάσμα αναλογιών αέρα/καυσίμου 36

37 Πτητικότητα Αιθανόλη RVP=15-17 kpa Βενζίνη: RVP= kpa Τα μίγματα με μικρό ποσοστό αιθανόλης έχουν μεγαλύτερη πτητικότητα από τη βενζίνη Περιβαλλοντικές συνέπειες 37 Επίδραση του ποσοστού της αιθανόλης στην πίεση ατμών κατά Reid Furey, 1985

38 Πτητικότητα μιγμάτων Η μεγάλη πτητικότητα συμβάλλει στη δημιουργία μεγάλης ποσότητας ατμών με συνέπεια τη μείωση της παροχής καυσίμου στον κινητήρα Οι επιπτώσεις είναι συνήθως απώλεια ισχύος, αλλά ακόμη και σταμάτημα του κινητήρα 38

39 Ανάμειξη με βενζίνη Union Oil Company of California Αύξηση όγκου μιγμάτων αιθανόλης/βενζίνης: Ο όγκος του μίγματος είναι μεγαλύτερος από το άθροισμα των όγκων των δύο υγρών 39

40 Απόδοση (βελτιστοποιημένων κινητήρων) Μεγαλύτερο βάρος δεξαμενής και καυσίμου: 1% μείωση μεταφορικής ικανότητας (transport efficiency) Μεγαλύτερος όγκος καυσαερίων: 7% κέρδοςσεσχέσημετηβενζίνη, 1% σε σχέση με το Diesel Υψηλότερος αριθμός οκτανίων: 6% έως 10% κέρδος σε σχέση με τη βενζίνη καμία διαφορά με το Diesel 40

41 Θερμικός βαθμός απόδοσης 41

42 Προβλήματα εκκίνησης (Drivability) προβλήματα κατά την ψυχρή εκκίνηση λόγω της υψηλότερης λανθάνουσας θερμότητας εξαέρωσης των μιγμάτων αιθανόλης/βενζίνης προβλήματα κατά την θερμή εκκίνηση λόγω της αυξημένης πτητικότητας των μιγμάτων δημιουργούνται συνθήκες ατμόφραξης υπό κανονικές θερμοκρασιακές συνθήκες η εκκίνηση δεν παρουσιάζει πρόβλημα 42

43 Απόδοση κινητήρων αιθανόλης 140% 120% 100% 80% 60% 40% 103.3% 110.0% 102.1% 106.4% 103.2% 105.3% 95.5% 89.3% 105.5% 129.4% 20% 0% Ισχύς Ροπή Μέγιστη ταχύτητα Ε0 Ε22 Ε100 Επιτάχυνση (0~100km/h) Κατανάλωση (L/100km) Joseph Jr.,

44 Σημαντικοί παράμετροι σχεδιασμού λόγος συμπίεσης η αύξησή του αυξάνει την οικονομία καυσίμου τάση για κρουστική καύση & αυξημένες εκπομπές NO x 44 γεωμετρία θαλάμου καύσης θέση αναφλεκτήρα, αριθμός βαλβίδων, τυρβώδης ή ελικοειδής ροή κλπ. χρονισμός βαλβίδων μεγαλύτερη επικάλυψη επιδόσεις σε υψηλές ταχύτητες μικρότερη επικάλυψη χαμηλότερες εκπομπές ρελαντί διαχείριση καυσίμου οψεκασμόςτουκαυσίμουδίνεικαλύτερααποτελέσματα απότοκαρμπυρατέρσεκινητήρεςπουκαίνεαιθανόλη

45 Κύριες παράμετροι λειτουργίας λάμδα μεγαλύτερο λάμδα (συνθήκες φτωχού μίγματος) καλύτεροςθερμικόςβαθμόςαπόδοσης μειωμένες εκπομπές HC & CO αυξημένες εκπομπές NO x προπορεία ανάφλεξης η επίδραση του χρόνου ανάφλεξης στην κατανάλωση καυσίμου είναι αντιστρόφως ανάλογη με την επίδραση στις εκπομπές καυσαερίων ανακυκλοφορία καυσαερίων (EGR) η αύξηση της ανακυκλοφορίας μειώνει τις εκπομπές NO x αλλά αυξάνει τις εκπομπές HC και την κατανάλωση 45

46 Διαβρωτική ικανότητα (1/2) Η αιθανόλη είναι πιο διαβρωτική από τη βενζίνη Υλικά που αλλοιώνονται Μεταλλικά: Μη μεταλλικά: ορείχαλκος (brass Cu-Zn) αλουμίνιο επιμολυβδωμένος χάλυβας φυσικό καουτσούκ πολυουρεθάνη φελλός δέρμα PVC πολυαμίδια κάποια πλαστικά 46

47 Διαβρωτική ικανότητα (2/2) Συμβατά υλικά Μεταλλικά: Μη μεταλλικά: ανοδιωμένο αλουμίνιο χάλυβας & ανοξείδωτος χάλυβας σίδηρος μπρούντζος (bronze Cu Sn) πολυμερείς ενώσεις νεοπρένιο υαλονήματα θερμοπλαστικά πολυπροπυλένιο teflon 47

48 Απαραίτητες τροποποιήσεις κινητήρων Otto Joseph Jr., 2005 Μη απαραίτητες Πιθανώς απαραίτητες 48

49 Επικαθήσεις 49 (1/2) 1.6L mpi 4spd Automatic km 1.3L mpi 3spd Autom km Orbital Australia PTY Ltd., 2007

50 Επικαθήσεις (2/2) Orbital Australia PTY Ltd., Toyota Hilux 2.4L Carburetor km

51 Επιπτώσεις στο σύστημα τροφοδοσίας Orbital Australia PTY Ltd., Toyota Hilux 2.4L Carburetor [ km] Φίλτρο καυσίμου μετά από χρήση E5 για km και E10 για km 51

52 Εκπομπή καυσαερίων (1/2) Οριοθετημένοι από τη νομοθεσία ρύποι CO HC NO x PM Αέριο θερμοκηπίου CO 2 52

53 Εκπομπή καυσαερίων (2/2) Μη οριοθετημένοι από τη νομοθεσία ρύποι methanol & ethanol formaldehyde acetaldehyde methyl & ethyl nitrite benzene toluene 53

54 Εκπομπές λόγω εξάτμισης (αναθυμιάσεις) Κατανομή εκπομπών πτητικών οργανικών ενώσεων βενζινοκίνητων οχημάτων στηδυτικήευρώπη 27% 5% 68% Καυσαέρια Αναθυμιάσεις Ανεφοδιασμός Brusstar & Bakenhus, 2005 Μίγματα αιθανόλης/βενζίνης: Αύξηση εκπομπών VOC λόγω μεγαλύτερης τάσης ατμών Αυξημένη διαπερατότητα λόγου μικρότερου μεγέθους μορίου Commingling effect 54

55 Αγώνες ταχύτητας Team Nasamax Le Mans 2004 Ethanol Hemelgarn Racing Team 2005 Indy Car series 55

56 ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 4. ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΕ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 56

57 Ιδιότητες μιγμάτων αιθανόλης/diesel σταθερότητα μιγμάτων κάτω των 10 C τα δύο καύσιμα διαχωρίζονται ιξώδες και λιπαντική ικανότητα χαμηλότερο ιξώδες και μειωμένη λιπαντική ικανότητα κατώτερη θερμογόνος δύναμη χαμηλότερη (μειώνεται 2% ανά 5% vol αιθανόλης) αριθμός κετανίου μικρότερος (καθυστέρηση στην ανάφλεξη) συμβατότητα υλικών Ανάγκη χρήσης βελτιωτικών προσθέτων 57

58 Επιπτώσεις μιγμάτων αιθανόλης/diesel μείωση ισχύος σε σχέση με το Diesel μικρότερη κατώτερη θερμογόνος δύναμη αυξημένες διαρροές λόγω χαμηλότερου ιξώδους αύξηση κατανάλωσης 4-5% (Hansen et al., 2001) φθορά κινητήρα 10% ΕtOH φυσιολογική φθορά 15% EtOH μη φυσιολογική φθορά στους εγχυτήρες Το ποσοστό της αιθανόλης πρέπει να περιοριστεί κάτω του 10% (UIUC, 2000) 58

59 Επιπτώσεις στα καυσαέρια εκπομπές PM E10-Diesel: 73-80% σε σχέση με το Diesel εκπομπές NO x E10-Diesel: % σε σχέση με το Diesel εκπομπές CO E10-Diesel: % σε σχέση με το Diesel εκπομπές HC E10-Diesel: % σε σχέση με το Diesel 59

60 Τάση ανάφλεξης Diesel E-Diesel Αιθανόλη Μεθανόλη Βενζίνη Θερμοκρασία ο C NREL, 2003 Σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος οι ατμοί του ρεζερβουάρ που περιέχει E-Diesel είναι εύφλεκτοι ή εκρηκτικοί Αλλαγή κατηγορίας από Class II (καύσιμο) σε Class I (εύφλεκτο) 60

61 Η θέση της αυτοκινητοβιομηχανίας Οι κατασκευαστές δεν υποστηρίζουν τη χρήση αιθανόλης σε καμία κατηγορία Diesel μέχρι να διευθετηθούν οριστικά, μέσω περαιτέρω έρευνας, τα θέματα που αφορούν στην ασφάλεια, την απόδοση και την υγεία (WWFC, 2006). 61

62 Ευχαριστώ για την προσοχή σας! 62