ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΓΙΑ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ Ε85 ΓΚΙΠΑΤΙΔΟΥ ΔΗΜΗΤΡΑ ΑΕΜ: 4579 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : ΝΤΖΙΑΧΡΗΣΤΟΣ ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΜΑΡΤΙΟΣ 2011

1. 2. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 5. Υπεύθυνος: Καθ. Λ. Ντζιαχρήστος 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ 4. 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Καθ. Λ. Ντζιαχρήστος ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 7. Τίτλος εργασίας: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΓΙΑ ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΗ ΧΡΗΣΗ Ε85 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή (-ών): ΓΚΙΠΑΤΙΔΟΥ ΔΗΜΗΤΡΑ 10.Θεματική περιοχή: Βιοκαύσιμα 14. Περίληψη: 11. Ημερομηνία έναρξης: 1/10/2010 9. Αριθμός μητρώου: 4579 12. Ημερομηνία παράδοσης: 17/3/2011 Αντικείμενο της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και η προσομοίωση ενός κινητήρα που προορίζεται για αγωνιστική χρήση στην κατηγορία FSAE ώστε να λειτουργεί με βιοκαύσιμο Ε85 (μίγμα 85% αιθανόλη 15% βενζίνη). Αρχικά γίνεται η βιβλιογραφική μελέτη για να προσδιοριστεί η φύση του καυσίμου και να καθοριστούν τα πεδία που απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή και χειρισμό. Παρουσιάζονται τα κομμάτια του κινητήρα που επηρεάζονται από τα συστατικά του καυσίμου καθώς και οι μετατροπές που έγιναν προκειμένου ο κινητήρας να λειτουργεί βέλτιστα τόσο με βενζίνη όσο και με Ε85. Ακολουθεί η μοντελοποίηση του κινητήρα με το πρόγραμμα Gt-power για να ποσοτικοποιηθεί η απόδοση το καυσίμου. Δίνονται τα πρώτα αποτελέσματα συγκριτικά με την βενζίνη. Την μετατροπή του κινητήρα διαδέχτηκαν οι πειραματικές μετρήσεις σε υδραυλική πέδη κινητήρα για την επαλήθευση του μοντέλου και για την χαρτογράφηση του κινητήρα. Η ολοκλήρωση της χαρτογράφησης πραγματοποιήθηκε σε δυναμόμετρο αυτοκινήτου ενώ συνεχίστηκαν οι δοκιμές του κινητήρα αλλά και ολόκληρου του μονοθέσιου στην πίστα δοκιμών. 13.Αριθμός εργασίας: 11.DI.0023.V1 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 104 Αρ. Εικόνων: 68 Αρ. Πινάκων: 4 Αρ. Παραρτημάτων: 1 16. Λέξεις κλειδιά: Ε85 Βιοαιθανόλη FSAE Βιοκαύσιμα 17. Σχόλια: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός: 1

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική επικεντρώνεται στην μοντελοποίηση και μετατροπή ενός αγωνιστικού κινητήρα για χρήση Ε85, βιοκαύσιμου που αποτελείται από 85% αιθανόλη και 15%βενζίνη. Η προσπάθεια αυτή έγινε στα πλαίσια κατασκευής ενός αγωνιστικού μονοθέσιου που λαμβάνει μέρος σε φοιτητικούς διαγωνισμούς Formula SAE. Η παρακάτω μελέτη δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένα μικρό κομμάτι ενός πάζλ που παρουσιάζει τον τρόπο κατασκευής ενός πραγματικού οχήματος. Κάθε κομμάτι και κάθε διπλωματική είναι ένα ανεξάρτητο και αυτόνομο κεφάλαιο και όμως δεν θα είχε κανένα νόημα χωρίς τα υπόλοιπα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω πρώτα από όλα τον καθ. Αθανάσιο Μιχαηλίδη, τον καθ. Ζήση Σαμαρά και τον καθ. Λεωνίδα Ντζιαχρήστο γιατί ως υπεύθυνοι της ομάδας πίστεψαν στην προσπάθεια μας και μας στήριξαν μέχρι τέλους. Στον Δόκτωρ Γεώργιο Φονταρά ένα μεγάλο ευχαριστώ γιατί στάθηκε δίπλα μας σε όλες τις δύσκολες στιγμές και η καθοδήγηση του ήταν πολύτιμη ακόμα και στις πιο ακατάλληλες ώρες έστω και από χιλιόμετρα μακριά. Στον κ. Γεώργιο Τάνιο και σε όλο το τεχνικό προσωπικό του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής για την βοήθειά τους στα κατασκευαστικά και πειραματικά προβλήματα που αντιμετωπίσαμε. Μα πάνω από όλα ευχαριστώ όλη την ομάδα της ART για την πολύ καλή συνεργασία και ιδιαίτερα τον αρχηγό της ομάδας Φωτσιτζή Βασίλειο που μας ξελάσπωσε πολλές φορές, τον Βασιλειάδη Κωνσταντίνο που η εργατικότητα και η επιμονή του μας παρείχε έμπνευση, τον Νικόλα Χριστοδούλου για την ψυχραιμία του και την ενέργειά του όταν οι υπόλοιποι σταματούσαμε, τον Αθανασόπουλο Μανώλη για την τεράστια του συνεισφορά στα ηλεκτρονικά, την Ρόγκα Ιωάννα για την μεγάλη υπομονή και το παραγωγικό της άγχος, τον Χριστοδουλόπουλο Επαμεινώνδα για τις πιο απίστευτες λύσεις και τον Λιάμπα Στέλιο γιατί κανείς άλλος δεν θα μπορούσε να τελειώσει την πλεξούδα. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους διδάκτορες του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής και κυρίως τους: Κουσουλίδου Μαρίνα, Μερτζής Δημήτρης, Φραγκιαδουλάκης Παύλος και Μανέτας Χρήστος για όλη την βοήθεια τους και την ευχάριστη συνεργασία μας. Εύχομαι η παρακάτω μελέτη να βοηθήσει τη νέα ομάδα κατά την προσπάθειά της αλλά και να αποτελέσει έναυσμα για περαιτέρω έρευνα στο χώρο των υγρών βιοκαυσίμων. 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελ 1. 1.1. 1.2. 1.3. 2. 2.1. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4. 2.2. 2.3. 2.3.1. 2.4. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.2.1. 4.3.2.2. 4.3.2.3. 4.3.2.4. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά Στοιχεία Στόχος Δομή Εργασίας Ε85 ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Εναλλακτικά καύσιμα Αιθανόλη Παραγωγή αιθανόλης Χαρακτηριστικά αιθανόλης Χαρακτηριστικά εκπομπών στα οχήματα Θεσμικό πλαίσιο Τι είναι το Ε85 Χαρακτηριστικά - Επίδραση Ε85 Εφαρμογές ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ & Ε85 Μετατροπή Κινητήρα Διεξαγωγή πειραμάτων διάβρωσης Τελικές επιλογές ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ GT POWER Γενικά για την μοντελοποίηση Τι είναι το GT power Δημιουργία μοντέλου Εισαγωγή Μοντελοποίηση καυσίμου Γενικά Ανάλυση ευαισθησίας Κατασκευή μοντέλου Συνθήκες καύσης 5 5 8 9 11 11 13 14 17 19 20 23 23 27 29 29 39 43 46 46 48 50 50 55 55 55 59 64 3

4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4.4. 4.4.5. 4.4.6. 4.5. 5. 5.1. 5.2. 6. 7. 8. Υπολογισμοί Θεωρητικό Υπόβαθρο Υπολογισμοί κύκλου λειτουργίας Μέθοδος πλήρωσης εκκένωσης Ανοιχτό σύστημα με μη μόνιμη ροή Μηχανικό έργο Μετάδοση θερμότητας στον κύλινδρο Πορεία καύσης συνάρτηση καύσης κατά Vibe Αποτελέσματα ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ & ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗΣ Γενικά Πειραματική διάταξη Χαρτογράφηση ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 66 66 66 67 67 69 72 77 81 81 87 101 102 103 4

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Γενικά στοιχεία Το καλοκαίρι του 2006 δημιουργήθηκε από το τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης η ομάδα ART7, η οποία απαρτιζόταν από προπτυχιακούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές που σχεδίασαν και κατασκεύασαν ένα μονοθέσιο αυτοκίνητο. Το μονοθέσιο αυτό πήρε μέρος σε δύο διεθνείς διαγωνισμούς στο Fiorano στην Ιταλία (Σεπτέμβριος 2007) και στο Silverstone στην Αγγλία ( Ιούλιος 2008), όπου η προσπάθεια στέφτηκε με επιτυχία. Θέλοντας να συνεχιστεί η πρωτότυπη αυτή ιδέα, η ομάδα δημιουργήθηκε από την αρχή (ART10) και τον Σεπτέμβριο του 2009 ξεκίνησε ο σχεδιασμός και η κατασκευή του νέου μονοθέσιου, με στόχο την συμμετοχή στους διεθνείς αγώνες Formula Student που διοργανώνονται από την SAE (Society of Automotive Engineers). Η SAE είναι το πλέον αναγνωρισμένο ίδρυμα που στηρίζει καινοτόμα προγράμματα πάνω στην πρόοδο της επιστήμης, της τεχνολογίας, της μηχανολογίας και των μαθηματικών. Βασικός στόχος της οργάνωσης είναι να βοηθήσει τους μαθητές του σήμερα να μεταμορφώνονται στους επιστήμονες και στους μηχανικούς του αύριο. Εργαλείο για να επιτευχθεί ο παραπάνω στόχος είναι ο διαγωνισμός Formula Student. Ένας διεθνής φοιτητικός διαγωνισμός που συμμετέχουν πανεπιστήμια από όλο τον κόσμο (πάνω από 400 ομάδες) και χωρίζεται σε 5 βασικές διοργανώσεις: Formula SAE Austalasia Formula SAE Brazil Formula SAE Italy Formula Student (UK) Formula Student Germany Είναι κατά βάση ένας σχεδιαστικός διαγωνισμός και προκαλεί τις φοιτητικές ομάδες των πανεπιστημίων να συλλάβουν, να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν ένα μονοθέσιο, τύπου formula μικρότερου μεγέθους με το οποίο θα διαγωνιστούν τόσο στον σχεδιασμό όσο και στις επιδόσεις του. Προκειμένου να δώσουν στους σχεδιαστές την απαραίτητη ευελιξία και την ελευθερία να εκφράσουν την δημιουργικότητα και την φαντασία τους υπάρχουν πολύ λίγοι περιορισμοί για την συνολική σχεδίαση του μονοθέσιου. Οι ομάδες καλούνται να αναπτύξουν ένα αυτοκίνητο που να μπορεί να διαγωνιστεί επιτυχώς ενώ παράλληλα τους 5

δίνεται η ευκαιρία να παρουσιάσουν τόσο την δημιουργικότητα τους όσο και τις μηχανολογικές τους δεξιότητες απέναντι σε ομάδες πανεπιστημίων από όλο τον κόσμο. Η σχεδίαση του αυτοκινήτου βασίζεται στην υπόθεση ότι οι ομάδες εργάζονται για μια εταιρεία, η οποία σχεδιάζει, κατασκευάζει, δοκιμάζει και επιδεικνύει ένα πρωτότυπο όχημα σε μια μη-επαγγελματική ανταγωνιστική αγορά. Όταν η κατασκευή του οχήματος έχει ολοκληρωθεί και δοκιμαστεί, η εταιρεία θα προσπαθήσει να πουλήσει το σχέδιο για την παραγωγή ενός αγωνιστικού αυτοκινήτου. Η πρόκληση στην σχεδιαστική ομάδα είναι να αναπτύξει ένα πρωτότυπο αυτοκίνητο που ικανοποιεί τους κανονισμούς της FSAE και να αποτελέσει μια επικερδή επένδυση. Κάθε σχέδιο αξιολογείται συγκριτικά με τα σχέδια των υπολοίπων ομάδων ώστε να αποφασιστεί το καλύτερο όχημα συνολικά. Το όχημα πρέπει να διαθέτει υψηλή απόδοση στην επιτάχυνση, στην επιβράδυνση, στον χειρισμό και να είναι αξιόπιστο ώστε να ολοκληρώσει χωρίς προβλήματα όλα τα αγωνίσματα. Επιπλέον, οι σχεδιαστικοί παράγοντες που εξετάζονται είναι: Αισθητική Κόστος Εργονομία Συντήρηση Κατασκευή Αξιοπιστία Τα οχήματα κρίνονται σε μια σειρά από στατικά και δυναμικά αγωνίσματα τα οποία περιλαμβάνουν: Τεχνικός έλεγχος Κόστος Παρουσίαση Μηχανολογικός σχεδιασμός Μεμονωμένες δοκιμές απόδοσης Υψηλής απόδοσης και αντοχής δοκιμή 6

Εικόνα 1: Στατικά και δυναμικά αγωνίσματα FSAE Η ομάδα ART10 ξεκίνησε το σχεδιασμό του νέου μονοθέσιου από το μηδέν, βασίστηκε στην εμπειρία της προηγούμενης ομάδας και προσαρμόστηκε στους κανονισμούς του διαγωνισμού. Τελειώνοντας τα σχέδια το καλοκαίρι του 2009, πήρε μέρος στον διαγωνισμό Class 3 στο Silverstone στην Αγγλία, όπου και κατέκτησε την 1 η θέση στον σχεδιασμό του αυτοκινήτου και την 2 η θέση στην συνολική κατάταξη. Ο διαγωνισμός Class 3 παρέχει την δυνατότητα στις ομάδες να διαγωνιστούν μόνο στα στατικά αγωνίσματα, έχοντας μόνο τα σχέδια από το αυτοκίνητο. Με αυτόν τον τρόπο, η ομάδα έρχεται σε επαφή με τον διαγωνισμό, ενώ παράλληλα ελέγχονται τα σχέδια της αν είναι σύμφωνα με τους κανονισμούς και γίνονται προτάσεις για διόρθωση. Εντοπίζοντας τα λάθη στον σχεδιασμό και κάνοντας τις ανάλογες τροποποιήσεις, ξεκίνησε η κατασκευή του μονοθέσιου και ολοκληρώθηκε με την συμμετοχή της ομάδας στον διαγωνισμό της Ιταλίας (Varano, 2010). Εικόνα 2: Η ομάδα της ART - Varano Italy 2010 7

1.2. Στόχος Η φιλοσοφία του διαγωνισμού είναι η επαγγελματική δουλειά σε φοιτητικό επίπεδο τόσο στο κατασκευαστικό όσο και στο ενεργειακό κομμάτι του αυτοκινήτου. Ο κινητήρας που χρησιμοποιείται μπορεί να είναι οποιοσδήποτε εμπορικός κινητήρας που να πληροί τις προδιαγραφές του αγώνα. Η διοργάνωση θέλοντας να μυήσει τους φοιτητές στην τεχνολογία των εναλλακτικών και ανανεώσιμών μορφών ενέργειας, δημιούργησε μία ξεχωριστή κατηγορία για υβριδικά αυτοκίνητα, ενώ στην κατηγορία των απλών μονοθέσιων δίνεται η δυνατότητα επιλογής καύσιμου ανάμεσα στην βενζίνη και στο Ε85. Η ομάδα ART10 θέλοντας να ενισχύσει τον οικολογικό της χαρακτήρα καθώς και να εντρυφήσει στην τεχνολογία των εναλλακτικών καύσιμων, αποφάσισε η σχεδίαση του μονοθέσιου να τροποποιηθεί έτσι ώστε να μπορεί να καταναλώσει και τα δύο καύσιμα (Ε85, βενζίνη). Η απόφαση αυτή πάρθηκε εξαιτίας της πρωτοτυπίας της, καθώς δεν έχει παρουσιαστεί ποτέ κανένα όχημα στο διαγωνισμό το οποίο να είναι bi-fuel. Αυτό παρέχει το πλεονέκτημα έναντι των άλλων ομάδων, όσο αφορά την παρουσίαση του αυτοκινήτου και την αγορά στην οποία στοχεύουμε να προωθήσουμε το όχημα μας. Η παρούσα διπλωματική λοιπόν επικεντρώνεται στην μελέτη του εναλλακτικού καυσίμου Ε85 για χρήση σε αγωνιστικό κινητήρα εσωτερικής καύσης. Στόχος είναι η μοντελοποίηση του σε πρόγραμμα μονοδιάστατης προσομοίωσης (Gt-power), η μετατροπή του κινητήρα ώστε να μπορεί να διαχειριστεί και τα δύο καύσιμα και τέλος τα αποτελέσματα από την χρήση του για την επαλήθευση της μοντελοποίησης καθώς και για την σύγκριση των δύο καυσίμων. 8

1.3. Δομή Εργασίας Η εργασία αποτελείται από 4 βασικά κεφάλαια με τα παρακάτω περιεχόμενα. Κάθε κεφάλαιο χωρίζεται σε υποενότητες για να είναι πιο κατανοητή αλλά και για να γίνει ο διαχωρισμός των διαφορετικών θεμάτων με τα οποία ασχολείται. Το 1 ο κεφάλαιο ασχολείται με το Ε85 σαν καύσιμο και την χρήση του γενικά σε συμβατικά και αγωνιστικά οχήματα. Περιγράφεται λεπτομερώς η φύση του, και τα χαρακτηριστικά του ενώ αναλύεται η επίδραση που έχει στα υλικά καθώς και στον ίδιο τον κινητήρα. Δίνονται λεπτομέρειες για τις εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιείται, καθώς και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει σαν εναλλακτικό καύσιμο. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από διάφορες μελέτες σχετικά με την αντοχή των υλικών, την σύγκριση του με άλλα καύσιμα, καθώς και οι περιοχές στις οποίες πρέπει να δώσουμε ιδιαίτερη προσοχή. Αφού έχει γίνει η πλήρης κατανόηση της συμπεριφοράς του καυσίμου ακολουθεί το δεύτερο κεφάλαιο όπου περιγράφονται τα σημεία του κινητήρα που επηρεάζονται. Με τον εντοπισμό αυτών των σημείων, επιλέγονται και τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν στο πείραμα για να ελεγχθεί η διαβρωτική ιδιότητα του καυσίμου. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων και από την υπάρχουσα γνώση για το καύσιμο αποφασίζονται οι τελικές τροποποιήσεις που θα γίνουν στον κινητήρα ώστε να μπορέσει να καταναλώνει εξίσου καλά το Ε85 όσο και την βενζίνη. Έπειτα στο 3 ο κεφάλαιο παραθέτουμε την μοντελοποίηση του καυσίμου και του κινητήρα στο δισδιάστατο πρόγραμμα Gt-power. Από την μοντελοποίηση παρουσιάστηκαν τα πρώτα αποτελέσματα, ενώ ταυτόχρονα μπορούσε να γίνει η σύγκριση ανάμεσα στα δύο καύσιμα μέσω της απόδοσης του κινητήρα για το κάθε ένα. Στο κεφάλαιο αυτό, επομένως περιγράφεται ο τρόπος μοντελοποίησης, το θεωρητικό υπόβαθρο στο οποίο στηρίζεται το πρόγραμμα ώστε να κάνει τους υπολογισμούς και τέλος παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης. Η εργασία ολοκληρώνεται με το 4 ο κεφάλαιο όπου παρουσιάζονται οι μετρήσεις που έγιναν για την χαρτογράφηση του κινητήρα στην υδραυλική πέδη συγκριτικά με τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης. Έτσι γίνεται ο έλεγχος του μοντέλου, ώστε να μπορεί να θεωρηθεί αξιόπιστο. Γίνεται η απαραίτητη σύγκριση ανάμεσα στην πραγματικότητα και την μοντελοποίηση καθώς και ο τελικός απολογισμός. Ακολουθούν τα συμπεράσματα από την 9

συγκεκριμένη μελέτη καθώς και προτάσεις για μελλοντικές μελέτες. Στην εργασία παρατίθενται και τα αντίστοιχα παραρτήματα με τις απαραίτητες πληροφορίες. 10

2. Ε85 ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 2.1. Εναλλακτικά καύσιμα Ο όρος εναλλακτικά καύσιμα χρησιμοποιείται για να περιγράψει οποιοδήποτε καύσιμο που χρησιμοποιείται στα μέσα μεταφοράς εκτός από την βενζίνη ή το πετρέλαιο. Η αρχική ώθηση για την ανάπτυξη των εναλλακτικών καυσίμων έναντι της βενζίνης και του πετρελαίου ήταν η συνειδητοποίηση ότι τα έθνη που μπορούν να παράγουν τα καύσιμα, διατηρούσαν την πλειοψηφία του παγκόσμιου αποθέματος, επομένως είχαν τον έλεγχο πάνω στην διαθεσιμότητα και την τιμή. Αυτό οδήγησε χώρες όπως η Αμερική και η Ιαπωνία να αναζητήσουν άλλους τρόπους παραγωγής καυσίμου για να ικανοποιήσουν τις ενεργειακές τους ανάγκες. Μέσα από πειράματα πάνω στα εναλλακτικά καύσιμα, έγινε σαφές ότι διέθεταν εγγενή περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα. Καθένα από αυτά έχει τα δικά του χαρακτηριστικά, αλλά ως επί το πλείστον είναι λιγότερο καταστροφικά σε περίπτωση απευθείας απόρριψης τους και οι εκπομπές τους είναι λιγότερο αντιδραστικές. Μειώνεται λοιπόν η παραγόμενη ποσότητα όζοντος με πλεονέκτημα την βελτίωση της ποιότητας του αέρα. Αρχικός στόχος ήταν να προσδιοριστεί το καλύτερο εναλλακτικό καύσιμο από πλευράς, τεχνικής σκοπιμότητας, ικανότητας παραγωγής και κόστους, ωστόσο τα ερωτήματα αυτά έμειναν αναπάντητα καθώς η ανάπτυξη των οχημάτων που χρησιμοποιούν εναλλακτικά καύσιμα προχώρησε. Η τεχνική σκοπιμότητα δεν αποτελεί πλέον ερώτημα, ενώ όλη η προσοχή έχει επικεντρωθεί στο αν μπορούν να παραχθούν σε ανταγωνιστικό κόστος. Το κόστος υπολογίζεται όχι μόνο με βάση την τιμή του καυσίμου αυτού καθ αυτού, αλλά και της τιμής του αυτοκινήτου και των χαρακτηριστικών λειτουργίας τους, καθώς επίσης και με βάση την δαπάνη για την ανάπτυξη της εθνικής υποδομής διανομής καυσίμου. Καθώς η χρήση των οχημάτων εναλλακτικών καυσίμων διαδίδεται, έχουν προκύψει θέματα όπως η ευαισθητοποίηση του κοινού και η εκπαίδευση κατάλληλου προσωπικού για την συντήρηση των οχημάτων. 11

Τα εναλλακτικά καύσιμα που θεωρούνται ως οι πλέον πιθανοί υποψήφιοι για χρήση σε μηχανές εσωτερικής καύσης είναι: Αλκοόλες ( μεθανόλη, αιθανόλη) Φυσικό αέριο ( συμπιεσμένο, υγροποιημένο) LP gas Υδρογόνο Η παρούσα διπλωματική θα επικεντρωθεί κυρίως στις αλκοόλες που χρησιμοποιούνται ως εναλλακτικά καύσιμα και ιδιαίτερα την αιθανόλη, ενώ θα γίνει μια μικρή αναφορά και στην μεθανόλη. Η μεθανόλη και η αιθανόλη είναι οι αλκοόλες που ξεχώρισαν ανάμεσα στις άλλες για χρήση σε κινητήρες μεταφορικών μέσων. Οι ιδιότητες τους είναι τέτοιες ώστε να επιτρέπουν τη χρήσης τους ακόμα και ως αμιγή καύσιμα, χωρίς να απαιτούν ανάμιξη με κάποιο ορυκτό καύσιμο. Οι βασικότεροι λόγοι επιλογής τους είναι ότι αφενός είναι υγρά καύσιμα και αφετέρου διαθέτουν αρκετές φυσικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά καύσης όμοια με αυτά της βενζίνης. Οι ιδιότητες είναι τόσο κοντά ώστε ο βασικός κινητήρας και η τεχνολογία του συστήματος καυσίμου να μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για βενζίνη, όσο και για μεθανόλη και αιθανόλη. Λόγω του υψηλότερου βαθμού οκτανίων που διαθέτουν σε σχέση με την βενζίνη, οι κινητήρες μπορούν να σχεδιαστούν με υψηλότερες σχέσεις συμπίεσης, αυξάνοντας έτσι την θερμική απόδοση. Ένα όμως βασικό μειονέκτημα των αλκοολών είναι η χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, δηλαδή 1 lt βενζίνης ισοδυναμεί με περίπου 1 ½ lt αιθανόλης. Οι παραγόμενοι ρύποι με χρήση αλκοολών δεν διαφέρουν σημαντικά ούτε σε ποιότητα ούτε σε ποσότητα σε σχέση με τους ρύπους από συμβατική βενζίνη. Ωστόσο, λόγω της καύσης, εμφανίζονται κάπως αυξημένες οι ποσότητες φορμαλδεΰδης και ακεταλδεΰδης που παράγονται. Για αρκετά χρόνια θεωρούνταν δύο από τα βασικότερα εναλλακτικά καύσιμα μόνο για κινητήρες έναυσης με σπινθηριστή, ωστόσο με εφαρμογή πρόσθετων ανάφλεξης πραγματοποιήθηκε πειραματική χρήση και σε κινητήρες diesel. Στους τελευταίους παρουσιάζουν ένα ισχυρό πλεονέκτημα, αφού δεν παράγουν αιθάλη ή σωματίδια, ενώ οι κινητήρες μπορούν να ρυθμιστούν κατάλληλα ώστε τα επίπεδα εκπομπής των οξειδίων του αζώτου να είναι ιδιαίτερα χαμηλά. 12

2.1.1.Αιθανόλη Η αιθανόλη ή αιθυλική αλκοόλη ή απλά οινόπνευμα, είναι μια χημική οργανική ένωση, αποτελούμενη από δύο άτομα άνθρακα, υδρογόνο και μια ομάδα υδροξυλίου, και ανήκει στην ομόλογη σειρά των κορεσμένων μονοσθενών αλκοολών C v H 2v+1 OΗ. Ο χημικός της τύπος είναι CH 3 -CH 2 -OH. Ενώ ο μοριακός της τύπος είναι C 2 H 5 OΗ. Εικόνα 3: Χημική ένωση αιθανόλης Χρησιμοποιείται συνήθως ως διαλύτης σε πολλές εφαρμογές τόσο της καθημερινής ζωής όσο και της βιομηχανίας. Ευρύτατη είναι η χρήση της για την παρασκευή οινοπνευματωδών ποτών, και για αυτό τον λόγο επιβάλλεται υψηλή φορολογία στη διακίνησή της. Χρησιμοποιείται επίσης ευρύτατα στην ιατρική ως απολυμαντικό. Για οικιακή χρήση και για την αποφυγή καταβολής υψηλής φορολογίας, υφίσταται μετουσίωση, δηλαδή αναμιγνύεται με μικρή ποσότητα άλλων συστατικών, τα οποία την καθιστούν ακατάλληλη προς πόση και από τις οποίες είναι αδύνατον να διαχωριστεί με φθηνές μεθόδους. Για να ξεχωρίζει από την μη μετουσιωμένη αιθυλική αλκοόλη, προστίθεται επίσης, και η χρωστική κυανού του μεθυλενίου, το οποίο της προσδίδει κυανοπράσινο χρώμα. Σημαντική χρήση βρίσκει επίσης ως καύσιμο σε κινητήρες εσωτερικής καύσης, αντικαθιστώντας την βενζίνη ήδη από το 1890. Η αιθανόλη χρησιμοποιήθηκε αρχικά μόνο σε κινητήρες έναυσης με σπινθηριστή, ακόμα από την εποχή της ανάπτυξης των κινητήρων εσωτερικής καύσης. Η αιθανόλη μπορεί να διαχωριστεί σε δύο βασικές κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής, η βιομηχανική αιθυλική αλκοόλη και η βιοαιθανόλη. Η βιομηχανική αιθυλική αλκοόλη, παράγεται με συμβατικές μεθόδους, όπως η ενυδάτωση αιθυλενίου (παράγωγο πετρελαίου) με παρουσία οξέος. CH 2 =CH 2 + H 2 O CH 3 CH 2 OH 13

Αντίθετα η βιοαιθανόλη παράγεται με την διαδικασία της αλκοολικής ζύμωσης σακχάρων. C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 Στην παρούσα διπλωματική θα ασχοληθούμε μόνο με την βιοαιθανόλη καθώς ως προϊόν γεωργικής παραγωγής κατατάσσεται στην κατηγορία των βιοκαυσίμων. Λόγω των καλών ιδιοτήτων καύσης αλλά και το γεγονός ότι προέρχεται από ανανεώσιμες πρώτες ύλες, προτιμάται έναντι των άλλων εναλλακτικών καυσίμων. 2.1.2.Παραγωγή αιθανόλης Η βιοαιθανόλη παράγεται αποκλειστικά με μεθόδους ζύμωσης γεωργικών καλλιεργειών. Τα προτεινόμενα αποθέματα είναι κυρίως καλαμπόκι αν και άλλοι καρποί όπως δημητριακά, πατάτες και τεύτλα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Τα γεωργικά απόβλητα μπορούν επίσης να θεωρηθούν ικανά για την παραγωγή αιθανόλης. Σχεδόν οποιαδήποτε πηγή αμύλου ή ζάχαρης είναι μια πιθανή πρώτη ύλη. Το άμυλο μετατρέπεται σε σάκχαρα, τα οποία στην συνέχεια θα υποστούν την ζύμωση. Στην Βραζιλία για παράδειγμα, η ζάχαρη από τα ζαχαροκάλαμα είναι η προτιμώμενη πηγή, λόγω του ευνοϊκού κλίματος. Αντίστοιχα στην Γαλλία, η αιθανόλη παράγεται από σταφύλια που είναι χαμηλής ποιότητας για την παραγωγή κρασιού. Στην Ελλάδα η αιθανόλη παρασκευάζεται συνήθως από τη σταφίδα. Οι σταφίδες εκχυλίζονται με ζεστό νερό, ενώ στο διάλυμα που παίρνουμε ρίχνουμε ειδική ζύμη ώστε το περιεχόμενο να υποστεί ζύμωση. Η παραγωγή της αιθανόλης με αυτόν τον τρόπο είναι αρκετά όμοια με την παραγωγή αλκοολούχων ποτών με την διαφορά ότι ο διαχωρισμός της αιθανόλης από τον νερό γίνεται με την διαδικασία της απόσταξης. Στις περισσότερες χώρες, τα ποτά που περιέχουν αιθανόλη έχουν υψηλή φορολογία. Για να αποτρέψουν τη χρήση αιθανόλης, που προορίζεται για καύσιμο, για παραγωγή ποτών με υψηλό κέρδος, εισάγονται πρόσθετα που την κάνουν δηλητηριώδη και ακατάλληλη για κατανάλωση, όπως αναφέραμε προηγουμένως ( μετουσίωση και κυανού του μεθυλενίου). Η επιλογή της πρώτης ύλης από την οποία θα παραχθεί η αιθανόλη εξαρτάται από το κόστος αλλά και την δυναμικότητα παραγωγής. Ένα από τα μεγάλα προβλήματα κατά την παραγωγή βιοαιθανόλης είναι η εποχική διακύμανση της διαθεσιμότητας των πρώτων υλών. Έτσι η πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαιθανόλης καθορίζεται από τις επικρατούσες εδαφοκλιματικές συνθήκες. Στο κόστος λαμβάνεται υπόψη και η ποσότητα των ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του καρπού και την προετοιμασία του για 14

ζύμωση. Η χρήση ορυκτών καυσίμων από τα γεωργικά μηχανήματα αυτόματα μειώνει το δυναμικό της αιθανόλης ως εναλλακτικό καύσιμο για αντικατάσταση του πρώτου, βέβαια η κατανάλωση πετρελαίου διαφέρει ανάλογα με την περιοχή, την καλλιέργεια και τις γεωργικές εργασίες. Όμως όταν η αιθανόλη παραχθεί σε μεγάλες ποσότητες, είναι αναμενόμενο ότι θα ανατροφοδοτήσει ενεργειακά τις διαδικασίες παραγωγής της και έτσι θα αυξηθεί εκ νέου η ικανότητα αντικατάστασης πετρελαίου. Η παραγωγή αιθανόλης συνεχώς αυξάνεται με κυρίαρχες χώρες τις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, την Βραζιλία, τις χώρες της Καραϊβικής και την Ινδονησία. Παρακάτω παρουσιάζεται το πλάνο παραγωγής βιοαιθανόλης της Ινδονησίας έως το 2010. Βλέπουμε ότι η παραγωγή αναμένεται να φτάσει κοντά στα 3.770.000 kl/year, ενώ ανάλογα με την περιοχή η παραγωγή γίνεται και από διαφορετική πρώτη ύλη (ζαχαροκάλαμο, φυτό cassava κλπ.) Εικόνα 4: Πλάνο παραγωγής βιοαιθανόλης μέχρι το 2010 (Ινδονησία) 15

Εικόνα 5: Διαδικασία παραγωγής βιοαιθανόλης Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζεται μια τυπική μονάδα παραγωγής αιθανόλης. Αρχικά οι κόκκοι που λαμβάνονται, αποθηκεύονται έως ότου να αλεσθούν στον σφυρόμυλο. Από εκεί οδηγούνται στις δεξαμενές ψησίματος και μετά στις αντίστοιχες υγροποίησης. Την υγροποίηση ακολουθεί η διαδικασία ζύμωσης της αιθανόλης. Από την διαδικασία αυτή το προϊόν ζύμωσης υπόκεινται σε διαδικασία απόσταξης. Ενώ ταυτόχρονα παράγεται διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είτε απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα είτε οδηγείται σε εγκαταστάσεις ανάκτησης. Μετά την διαδικασία της απόσταξης, ένα μέρος οδηγείται στο μοριακό κόσκινο και το υπόλοιπο σε εγκατάσταση ανάκτησης σιτηρών μέσω της διαδικασίας της φυγοκέντρησης. Το μοριακό κόσκινο είναι ένα υλικό που περιέχει μικροσκοπικούς πόρους συγκεκριμένου και ομοιόμορφου μεγέθους που χρησιμοποιείται ως προσροφητικό για αέρια και υγρά. Μόρια αρκετά μικρά για να περάσουν μέσω των πόρων απορροφώνται ενώ τα μόρια μεγαλύτερου μεγέθους όχι. Είναι διαφορετικό από ένα κοινό φίλτρο καθώς λειτουργεί σε μοριακό επίπεδο και παγιδεύει την ουσία. Πριν οδηγηθεί η αιθανόλη στην εγκατάσταση αποθήκευσης, μετουσιώνεται και έπειτα είναι έτοιμη για χρήση. Όπως αναφέραμε προηγουμένως μετά την απόσταξη ένα μέρος οδηγείται σε εγκατάσταση φυγοκέντρησης για να γίνει η ανάκτηση των σιτηρών, εκ των οποίων κάποια είναι υγρά και κάποια είναι στερεά. Ένα μέρος των υγρών οδηγείται πάλι πίσω στην παραγωγή κατευθείαν 16

στις δεξαμενές ψησίματος. Τα υπόλοιπα υφίστανται εξάτμιση και μαζί με τα στερεά προϊόντα σιτηρών παράγονται υγροί και αποξηραμένοι σπόροι οινοπνευματοποιών. Οι αποξηραμένοι πόροι προέρχονται από τους υγρούς μέσω διαδικασίας ξήρανσης. 2.1.3.Χαρακτηριστικά αιθανόλης Η καθαρή αιθανόλη είναι ένα διαυγές υγρό με έντονη οσμή. Ένα από τα βασικότερα χαρακτηριστικά της είναι η υψηλή λανθάνουσα ενέργεια εξάτμισης 923 kj/kg, περίπου τριπλάσια από την τιμή της βενζίνης. Έχει χαμηλή τάση ατμών, άλλα όταν αναμειγνύεται με μικρές ποσότητες βενζίνης παρουσιάζεται δυσανάλογη αύξηση της τάσης ατμών. Η περιεκτικότητα της αιθανόλης σε άνθρακα (52% w/w) είναι μικρότερη από την αντίστοιχη της βενζίνης (85-88%), ενώ έχουν τα ίδια ποσοστά περιεκτικότητας σε υδρογόνο περίπου 13%. Μια βασική διαφορά είναι ότι η αιθανόλη περιέχει οξυγόνο σε ποσοστό που αγγίζει το 35%, κάτι που η βενζίνη δεν διαθέτει εκτός και αν προστεθεί μετέπειτα. Το ειδικό βάρος της είναι ελαφρώς υψηλότερο, 0.794 για αιθανόλη και 0.69-0.79 για βενζίνη, έτσι ζυγίζει περίπου 20-80gr ανά λίτρο περισσότερο. Το χαμηλό σημείο πήξης (-114 ο C) επιτρέπει την αποθήκευση και διανομή της αιθανόλης σε συνθήκες απαγορευτικές για την βενζίνη, αφού η διαφορά των δύο θερμοκρασιών αγγίζει τους 75 o C. Το σημείο πήξης αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση της περιεκτικότητας της σε νερό. Αντίστοιχα διαθέτει και ένα σχετικά υψηλό σημείο βρασμού 78 o C, το οποίο σε συνδυασμό με την χαμηλή πίεση ατμών 15.9 kpa, έναντι 48-103 kpa της βενζίνης, ευνοεί τον σχηματισμό εύφλεκτων ατμών σε συνθήκες περιβάλλοντος. Το ιξώδες της αιθανόλης ξεπερνάει κατά πολύ το μέγιστο ιξώδες της βενζίνης, 1,19 mpa-s στους 20 o C για την αιθανόλη και 0.37-0.44 mpa-s ανάλογα με τον τύπο της βενζίνης. Δεν έχουν αναφερθεί ιδιαίτερα προβλήματα για τον χειρισμό της αιθανόλης σε κρύες καιρικές συνθήκες λόγω του υψηλού ιξώδους. Η αιθανόλη μπορεί να διαλυθεί πλήρως με το νερό (100% vol στους 21 o C) και αυτό δημιουργεί προβλήματα στον τρόπο χειρισμού. Τα τρέχοντα συστήματα διανομής και αποθήκευσης καυσίμων δεν είναι υδατοστεγή. Το νερό τείνει να μεταφέρει διάφορες ακαθαρσίες, και παρόλο που η αιθανόλη δεν θα υποβαθμιστεί σημαντικά από μικρές ποσότητες καθαρού νερού, ωστόσο η παρουσία του μειώνει την αξία της ως καύσιμο. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα της αιθανόλης είναι υψηλότερη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας της βενζίνης και του πετρελαίου, 1.35 x 10-9 mhos/cm συγκριτικά με 1 x 10-14 και 1 x 10-12 17

αντίστοιχα. Για αυτό αναμένεται ότι τα στατικά φορτία που συσσωρεύονται κατά την άντληση των καυσίμων στην διάρκεια των μεταφορών, θα διαχέονται γρηγορότερα. Το γεγονός αυτό αποτελεί ένα θεωρητικό πλεονέκτημα ασφάλειας έναντι της βενζίνης. Παρ όλα αυτά η υψηλή αγωγιμότητα της μπορεί να οδηγήσει σε γαλβανική ή ηλεκτρολυτική διάβρωση στο σύστημα διανομής καυσίμου που έχει σχεδιαστεί για βενζίνη ή πετρέλαιο, το οποίο μπορεί να επιφέρει αρνητικές επιπτώσεις στην ασφάλεια. Η περιεκτικότητα σε οξυγόνο μειώνει την θερμογόνο δύναμη του καυσίμου 21.1 MJ/L σε σχέση με την βενζίνη, ενώ ταυτόχρονα μειώνεται ο στοιχειομετρικός λόγος αέρα-καυσίμου, Α/F=9 από 14.7 που αντιστοιχεί στην βενζίνη. Η αιθανόλη διαθέτει περίπου το 64-70% της ενέργειας ανά μονάδα μάζας της βενζίνης. Αυτό σημαίνει ότι για την παραγωγή της ίδιας ποσότητας ενέργειας, χρειαζόμαστε μεγαλύτερη ποσότητα αιθανόλης. Η θερμοκρασία αυτανάφλεξής της είναι σημαντικά μεγαλύτερη της βενζίνης σχεδόν 200 o C. Αυτό την κάνει λιγότερο ευάλωτη σε ανάφλεξη όταν έρθει σε επαφή με θερμές επιφάνειες, όπως η πολλαπλή εξαγωγής του κινητήρα. Τα όρια αναφλεξιμότητας είναι ιδιαίτερα υψηλά, σχεδόν διπλάσια και αυτό συνεπάγεται ότι μεγαλύτερη ποσότητα ατμών θα πρέπει να παράγεται και να αναμειγνύεται με τον αέρα έως ότου να δημιουργηθεί ένα εύφλεκτο μίγμα. Δεδομένης της υψηλής λανθάνουσας θερμότητας εξάτμισης, της χαμηλής πίεσης ατμών και του υψηλού σημείου βρασμού της αιθανόλης, για να παράγουμε ατμό απαιτείται πολύ μεγαλύτερο ποσό ενέργειας. Από την στιγμή που έχει παραχθεί αρκετή ποσότητα ατμών ώστε η αιθανόλη και τα αέρια μίγματα να είναι εύφλεκτα, το ανώτερο όριο αναφλεξιμότητας της αιθανόλης είναι υψηλότερα του αντίστοιχου της βενζίνης, αντιπροσωπεύοντας ένα μεγαλύτερο φάσμα μέσα στο οποίο εύφλεκτα μίγματα παρουσιάζονται. Ανάλογα με την περίπτωση, μειώνεται και η ασφάλεια. Η καθαρή αιθανόλη καίγεται με μια φλόγα η οποία είναι δυσδιάκριτη στο έντονο ηλιακό φως. Σε μίγμα βενζίνης-αιθανόλης, η φλόγα είναι πιο ευδιάκριτη. Όσο μικρότερη είναι η φωτεινότητα της φλόγας τόσο μικρότερη είναι και η μετάδοση θερμότητας μέσω ακτινοβολίας, γεγονός που κατατάσσεται στα πλεονεκτήματα ασφαλείας. Η αιθανόλη διαθέτει υψηλό αριθμό οκτανίων συγκριτικά με την βενζίνη. Με θεωρητική τιμή οκτανίων περίπου 108.6 και με μετρημένη γύρω στο 89.7, διαθέτει αρκετά οκτάνια ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν υψηλότερες σχέσεις συμπίεσης με τα συνακόλουθα οφέλη βελτιωμένης ισχύος και απόδοσης. Ο μέσος όρος αριθμού οκτανίου αιθανόλης είναι τουλάχιστον 5 μονάδες υψηλότερος από τον μέγιστο αριθμό οκτανίου της βέλτιστης (super) 18

αμόλυβδης βενζίνης και περίπου 12 παραπάνω συγκριτικά με την απλή αμόλυβδη. Στον πίνακα 1 αναφέρονται συγκεντρωτικά τα βασικά χαρακτηριστικά της αιθανόλης. Όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά της αιθανόλης αναφέρονται στο βιβλίο Alternative Fuels Guidebook 2.1.4.Χαρακτηριστικά εκπομπών στα οχήματα Το κύριο πλεονέκτημα των εκπομπών από την χρήση αιθανόλης είναι ότι μειώνονται οι εκπομπές CO λόγω του φτωχού μίγματος που προκαλείται από την περιεκτικότητα του καυσίμου σε οξυγόνο. Το οξυγόνο συμβάλλει στην καύση σχεδόν με τον ίδιο τρόπο όπως η προσθήκη επιπλέον αέρα στο μίγμα. Επειδή όμως το πρόσθετο οξυγόνο εισάγεται στον κύλινδρο μέσω του καυσίμου, ο κινητήρας και τα συστήματα εκπομπών παραπλανόνται και λειτουργούν σε πιο φτωχές συνθήκες από ότι ήταν σχεδιασμένα, με αποτέλεσμα να είναι χαμηλότερες οι εκπομπές CO και ελαφρώς υψηλότερες οι εκπομπές NOx. Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται κυρίως σε παλαιότερα οχήματα που δεν διαθέτουν κλειστό σύστημα ελέγχου της στοιχειομετρίας του μίγματος (close loop λ), ωστόσο ακόμα και τα οχήματα νεώτερης τεχνολογίας δείχνουν κάποια μείωση των εκπομπών CO. Όταν η αιθανόλη χρησιμοποιείται ως συστατικό ανάμιξης στην βενζίνη, δεν υπάρχουν ορατές διαφορές στην οδική συμπεριφορά του οχήματος ή των επιδόσεων. Οχήματα παλαιότερου τύπου έχουν αντιμετωπίσει προβλήματα εκκινήσεως με θερμό κινητήρα, ενώ έχουν παρατηρηθεί προβλήματα στο φίλτρο καυσίμου. Το τελευταίο είναι πιθανό να συμβεί με χρήση αιθανόλης μετά από μακροχρόνια χρήση βενζίνης, καθώς η αιθανόλη ενεργεί ως διαλύτης. 19

2.2. Θεσμικό πλαίσιο Η Ευρωπαϊκή ένωση, λόγω ανάγκης περιορισμού των εκπομπών επιβλαβών ατμοσφαιρικών ρύπων, μέσω κοινοτικής οδηγίας αναγνώρισε θεσμικά τα βιοκαύσιμα και το σημαντικό ρόλο που αυτά θα διαδραματίσουν στο άμεσο μέλλον στην Ευρώπη, θέτοντας το απαραίτητο νομικό πλαίσιο για την πώληση και την χρήση τους εντός της ΕΕ. Η Ευρωπαϊκή Κοινότητα δεσμεύτηκε με το πρωτόκολλο του Κιότο να επιτύχει στόχους για τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου την περίοδο 2008 2012. Μείωση 30% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου έως το 2020 στο πλαίσιο παγκόσμιας συμφωνίας και για μείωση 20% μονομερώς. Τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται για τις μεταφορές ευθύνονται για σημαντικό μερίδιο των συνολικών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (περίπου 20%). Για αυτό τον λόγο έθεσε ενδεικτικούς στόχους υποκατάστασης των συμβατικών καυσίμων με βιοκαύσιμα για όλα τα κράτη μέλη. Έως το τέλος του 2005, η συμμετοχή των βιοκαυσίμων στο εθνικό σύνολο των καυσίμων που χρησιμοποιούνται για τις μεταφορές θα έπρεπε να ανέρχεται στο 2%. Ο αντίστοιχος στόχος για το έτος 2010 ορίστηκε στο 5.75%, ενώ για το 2020 το 10%. Έως 31 Δεκεμβρίου 2020 πρέπει να μειωθούν βαθμιαία οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου στον κύκλο ζωής μέχρι και κατά 10% ανά μονάδα ενέργειας από καύσιμα και ενέργεια που παρέχονται. Αυτή η μείωση πρέπει να ανέρχεται τουλάχιστον σε 6% έως το 2020, σε σύγκριση με το μέσο επίπεδο ΕΕ των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου κατά τον κύκλο ζωής ανά μονάδα ενέργειας από ορυκτά καύσιμα το 2010 μέσω της χρήσης βιοκαυσίμων, εναλλακτικών καυσίμων και μειώσεων της καύσης και του εξαερισμού στις εγκαταστάσεις παραγωγής. Γίνεται εμφανής η προσπάθεια της Ευρωπαϊκής ένωσης να ενισχύσει και να διασφαλίσει τον αειφόρο χαρακτήρα των βιοκαυσίμων προστατεύοντας παράλληλα την βιοποικιλότητα και την ισορροπία των οικοσυστημάτων. Δεδομένων των αντιδράσεων που εμφανίζονται σχετικά με την επίδραση των βιοκαυσίμων στις τιμές των τροφίμων και το κοινωνικό πρόβλημα που φαίνεται να δημιουργεί, δεν θα αποτελούσε έκπληξη η ΕΕ να συμπεριλάβει στην μελλοντική νομοθεσία περιορισμούς για την αντικατάσταση βρώσιμων καλλιεργειών από ενεργειακές. Ιδιαίτερη σημασία για την χρήση και εμπορεία οποιουδήποτε καυσίμου έχουν τα πρότυπα ποιότητας. Έτσι εξασφαλίζεται η ομοιογένεια των προϊόντων όσο και η συμβατότητα τους με τους κινητήρες των οχημάτων. Η τυποποίηση είναι απαραίτητη για την σωστή ρύθμιση και λειτουργία της αγοράς καυσίμων. Βασική προϋπόθεση για την χρήση της βιοαιθανόλης ως καύσιμο είναι η διασφάλιση της υψηλής καθαρότητας της που συνεπάγεται ελαχιστοποίηση 20

του περιεχομένου ύδατος. Η παρουσία έστω και μικρών ποσοτήτων νερού μπορεί να οδηγήσει σε διαχωρισμό φάσεων ως αποτέλεσμα της απορρόφησης του νερού από την αιθανόλη. Το φαινόμενο αυτό ενδέχεται να προκαλέσει κακή λειτουργία του οχήματος ή ακόμα και αστοχίες του κινητήρα. Ως εκ τούτου μόνο άνυδρη αιθανόλη θεωρείται κατάλληλη για μίξη με βενζίνη. Το υφιστάμενο πρότυπο ποιότητας για την βενζίνη στην Ευρώπη είναι το ΕΝ228. Τον Μάρτιο 2008 υιοθετήθηκε και το πρώτο πρότυπο ποιότητας για βιοαιθανόλη, το ΕΝ15376, ώστε να καλυφθούν οι ανάγκες εισαγωγής μιγμάτων έως 5% σε βιοαιθανόλη (Ε5). Η διαθέσιμη βενζίνη θα πρέπει να έχει μέγιστη περιεκτικότητα σε οξυγόνο 2.7% και μέγιστη περιεκτικότητα σε αιθανόλη 5% έως το 2013. Η προσθήκη αιθανόλης στη βενζίνη αυξάνει την τάση ατμών του καυσίμου που προκύπτει, ενώ η τάση ατμών των μειγμάτων βενζίνης πρέπει να παραμένει υπό έλεγχο, ώστε να περιορίζονται οι εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων. Παρά το ιδιαίτερο βάρος το οποίο δόθηκε στα βιοκαύσιμα από πλευράς Ευρωπαϊκής Επιτροπής, η Ελληνική πραγματικότητα αποδείχθηκε εξαιρετικά δυσκίνητη στο θέμα των βιοκαυσίμων. Παρόλο που στην Ελλάδα μπορεί να αναπτυχθεί αξιόλογο δυναμικό παραγωγής βιοκαυσίμων, ο στόχος του 2% στην εθνική αγορά το 2005 δεν επετεύχθη. Η ΕΕ έχει κινήσει διαδικασίες παράβασης κατά της Ελλάδας σχετικά με αυτήν την αποτυχία, ενώ έχει υιοθετηθεί ο στόχος της Οδηγίας για το έτος 2010, οποίος παραμένει αμφίβολος λόγο του μικρού ρυθμού αύξησης της παραγωγής. Έχουν αναπτυχθεί εγκαταστάσεις παραγωγής βιοντίζελ σε αντίθεση με εγκαταστάσεις παραγωγής βιοαιθανόλης. Τονίζεται ότι η κοινοτική νομοθεσία αναφέρεται στην αντικατάσταση του 5.75% του συνολικού ενεργειακού περιεχομένου των καυσίμων χωρίς όμως να προδιαγραφεί πως και με ποια υποκατάστατα θα γίνει η αντικατάσταση αυτή. Έτσι κάθε κράτος μέλος μπορεί να επιλέξει αν θα στραφεί σε υποκατάστατα του πετρελαίου κίνησης ή της βενζίνης σε ίσα ποσοστά ή αν θα χρησιμοποιήσει αυξημένα υποκατάστατα του ενός καυσίμου έναντι του άλλου. Η ευελιξία αυτή που παρέχει το νομοθετικό πλαίσιο είναι ιδιαίτερα σημαντική, διότι επιτρέπει σε κάθε κράτος μέλος να εφαρμόσει τη πολιτική του ανάλογα με τα χαρακτηριστικά και τις απαιτήσεις της οικονομίας του. Δεδομένης της αδυναμίας παραγωγής βιοαιθανόλης, το ενδεχόμενο μελλοντικών εισαγωγών βιοκαυσίμων παραμένει ανοιχτό. Η υποκατάσταση της βενζίνης με βιοαιθανόλη σε πρώτο στάδιο και ίσως στη συνέχεια με ΕΤΒΕ δεν φαίνεται να επιτυγχάνεται άμεσα τουλάχιστον με εγχώρια παραγόμενες ποσότητες. Αυτό γιατί οι απαιτούμενες υποδομές και κυρίως η μετατροπή των ζαχαρουργείων σε μονάδες παραγωγής βιοαιθανόλης δεν είναι ακόμα ούτε καν στο στάδιο του σχεδιασμού. 21

Μέχρι στιγμής δεν υπάρχει παραγωγή ή εισαγωγή βιοαιθανόλης για χρήση ως καύσιμο μεταφορών, παρά μόνο για την παρασκευή αλκοολούχων ποτών και φαρμάκων. Ωστόσο στην Ελλάδα υπάρχει σημαντικό δυναμικό παραγωγής βιοκαυσίμων αλλά επισημαίνεται έλλειψη στο θεσμικό πλαίσιο χρήσης και εμπορίας τους. Είναι δυνατή η παραγωγή βιοκαυσίμων με όρους που ανταποκρίνονται στα παραπάνω κριτήρια, εφόσον όμως αυτή πραγματοποιηθεί συστηματικά και ενταχθεί στο πλαίσιο ενός συνολικού πλάνου προώθησης της βιομάζας και των ενεργειακών καλλιεργειών στη χώρα. 22

2.3. Τι είναι το Ε85 Υπάρχουν 3 βασικοί τρόποι ώστε η αιθανόλη να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο μεταφορών: i. Μίγμα με βενζίνη, συνήθως περιεκτικότητας 10% σε αιθανόλη, γνωστό ως gasohol ii. iii. Ως συστατικό βενζίνης που έχει μετατραπεί σε ένωση όπως ο αιθυλοτριτοταγής βουτυλαιθέρας. (ETBE) Απευθείας χρήση ως καύσιμο, με 15% ή και περισσότερο βενζίνη, γνωστό ως Ε85 Η αιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε κινητήρες diesel, ειδικά διαμορφωμένους για αλκοολούχα καύσιμα. Για καύσιμο, των δύο πρώτων περιπτώσεων δεν απαιτούνται ιδιαίτερες μετατροπές στον κινητήρα, σχεδόν όλοι οι σύγχρονοι κινητήρες θα μπορούσαν να αντέξουν τα παραπάνω καύσιμα χωρίς κανένα πρόβλημα και μάλιστα με πιθανόν επωφελείς εκπομπές. Το καύσιμο που θα μας απασχολήσει στην παρούσα διπλωματική είναι το Ε85, ένα μίγμα αιθανόλης-βενζίνης που όπως αναφέραμε πιο πάνω ανήκει στην κατηγορία όπου η αιθανόλη χρησιμοποιείται απευθείας ως καύσιμο αναμεμειγμένη με ένα μικρό ποσοστό βενζίνης ίσο με 15%. Όλα τα χαρακτηριστικά που εμφανίζονται στο συγκεκριμένο κεφάλαιο προήλθαν από στοιχεία του βιβλίου Alternative Fuels Guidebook 2.3.1.Χαρακτηριστικά-Επίδραση Ε85 Η χαμηλή τάση ατμών καθώς και η υψηλή λανθάνουσα ενέργεια εξάτμισης της αιθανόλης δημιούργησε δυσκολίες ψυχρής εκκίνησης στους κινητήρες έναυσης με σπινθηριστή. Προκειμένου να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο και να βελτιωθεί και η ορατότητα της φλόγας, έγινε ο συμβιβασμός και προστέθηκε 15% κατ όγκο βενζίνη και δημιουργήθηκε το γνωστό Ε85. Η προσθήκη αυτού του μικρού ποσοστού βενζίνης προκαλεί σημαντικές αλλαγές στις ιδιότητες του καυσίμου και έτσι συμπεριφέρεται περίπου ως βενζίνη. Η προσθήκη της βενζίνης αυξάνει το ποσοστό του άνθρακα στο καύσιμο και μειώνει το ποσοστό του οξυγόνου, ενώ το περιεχόμενο σε υδρογόνο παραμένει ουσιαστικά αμετάβλητο. Η πυκνότητα και το ειδικό βάρος δεν έχουν αλλάξει σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές 23

αιθανόλης. Ωστόσο αλλάζουν δραματικά τα χαρακτηριστικά ζέσης και προσεγγίζουν τις τιμές της βενζίνης. Από αυτήν την αλλαγή δεν παρουσιάζονται ιδιαίτερα προβλήματα εκπομπών ή στην συμπεριφορά του κινητήρα. Η τάση ατμών διαφοροποιείται κάπως συγκριτικά με την βενζίνη. Η βενζίνη που χρησιμοποιείται θα περιέχει επιπλέον βουτάνιο και/ ή πεντάνιο προκειμένου να εξουδετερωθεί η αρνητική επίδραση της χαμηλής τάσης ατμών της αιθανόλης. Επιπλέον η θερμογόνος δύναμη του καυσίμου βελτιώνεται, απαιτούνται περίπου 1.4lt Ε85 για να αποδώσουν όσο 1lt βενζίνης. Κάποιες άλλες χαρακτηριστικές ιδιότητες μειώνονται σημαντικά με την χρήση βενζίνης ( π.χ. το σημείο ανάφλεξης καθώς και η θερμοκρασία αυτανάφλεξης μειώνονται). Δεν έχει γίνει ενδελεχής μελέτη για να μετρηθεί ο αριθμός οκτανίου στην Ε85, ωστόσο οι μέχρι στιγμής μετρήσεις έχουν δείξει ότι ο αριθμός οκτανίου της Ε85 είναι ελαφρώς υποβαθμισμένος της τιμής καθαρής αιθανόλης. Όπως έχουμε αναφέρει η μεθανόλη και η αιθανόλη είναι οι μόνες αλκοόλες που χρησιμοποιήθηκαν ως καύσιμα σε κινητήρες εσωτερικής καύσης. Μάλιστα η χρήση μεθανόλης προηγήθηκε της αιθανόλης. Χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά στην δεκαετία του 30 για να αντικαταστήσει ή να συμπληρώσει την βενζίνη. Πέρα από την χρήση καθαρής μεθανόλης χρησιμοποιήθηκαν και μείγματα μεθανόλης με βενζίνης με πιο δημοφιλές το Μ85, 15% vol βενζίνη και 85% vol μεθανόλης. Αφού η μεθανόλη και το Μ85 χρησιμοποιήθηκαν πρώτα οι εκπομπές των οχημάτων έχουν τεκμηριωθεί καλύτερα από ότι για χρήση Ε85. Τα πρώτα πειράματα που έγιναν για χρήση Ε85, πραγματοποιήθηκαν από την Ford, όπου ελέγχθηκαν οι εκπομπές σε ένα ευέλικτο όχημα καυσίμων (FFV: flexible fuel vehicle) μοντέλο του 1996. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι δεν υπάρχει ουσιαστική διαφορά στις εκπομπές καυσαερίων σε σύγκριση με τη χρήση του προτύπου ελέγχου εκπομπών για βενζίνη. Οι εκπομπές HC και NΟx είναι χαμηλότερες από ότι για βενζίνη, αλλά οι χαμηλότερες θερμοκρασίες καυσαερίων αναμένεται να μειώσουν ελαφριά την αποτελεσματικότητα του καταλύτη, με αποτέλεσμα οι εκπομπές της εξάτμισης να είναι σχεδόν ίδιες. Κατά την καύση Ε85 παράγονται ακεταλδεΰδες αντί για φορμαλδεΰδες που παράγονται με την χρήση μεθανόλης ή Μ85. Ένα πλεονέκτημα συγκριτικά με την φορμαλδεΰδη είναι ότι η ακεταλδεΰδη δεν είναι τόσο αντιδραστική στην ατμόσφαιρα, συνεισφέροντας έτσι λιγότερο στον σχηματισμό του όζοντος στο επίπεδο της επιφάνειας του εδάφους Η ειδική αντιδραστικότητα των εκπομπών αιθανόλης ( γραμμάρια όζοντος ανά γραμμάριο εκπομπών) έχει βρεθεί μετά από μετρήσεις να είναι σημαντικά μικρότερη από την συμβατική καθώς και την ειδικά σχεδιασμένη βενζίνη. Η χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο θα πρέπει να 24

είναι ωφέλιμη για την μείωση της φθοράς του καταλύτη. Ωστόσο έχουν συγκεντρωθεί ανεπαρκή στοιχεία μέχρι σήμερα για να καθοριστεί αν αυτή η επίπτωση είναι σημαντική. Η αιθανόλη, και κατ επέκταση το Ε85 είναι λιγότερο επιθετική προς τα μέταλλα και τα ελαστομερή από την μεθανόλη, αλλά δεν έχει γίνει ιδιαίτερη έρευνα αφιερωμένη στα ειδικά προβλήματα που θέτει η αιθανόλη. Συνήθως περιέχει περισσότερο νερό από την μεθανόλη, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει την διαλυτότητα προσμίξεων καθώς και την δυνατότητα διάβρωσης. Μια από τις βασικότερες προσμίξεις που μπορεί να προκύψει από την παραγωγή είναι το οξικό οξύ, ουσία διαλυτή στο νερό που θα μπορούσε να διαβρώσει ορισμένα εξαρτήματα του συστήματος καυσίμου. Για παράδειγμα, διαπιστώθηκε από την General Motors η διάβρωση αντλιών καυσίμων από Ε85 πιο γρήγορα από ότι με Μ85 πιθανώς λόγω του υψηλότερου επιπέδου των διαλυμένων μολυσματικών παραγόντων. Δεδομένου ότι η τεχνολογία για χρήση μεθανόλης έχει αναπτυχθεί περισσότερο, η γενική προσέγγιση για την αιθανόλη είναι να χρησιμοποιούνται υλικά που αναπτύχθηκαν για μεθανόλη. Τα μέταλλα που προτιμούνται για χρήση Ε85 είναι χάλυβας, ανοξείδωτος χάλυβας και χαλκός. Μέταλλα όπως το μαγνήσιο, ο ψευδάργυρος χύτευσης και ο ορείχαλκος δεν συνιστώνται. Αλουμίνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί με την προϋπόθεση ότι η αιθανόλη είναι πολύ καθαρή, διαφορετικά θα πρέπει να είναι επινικελωμένο ή να προστατευτεί κατάλληλα από την διάβρωση με οποιονδήποτε άλλον τρόπο. Τα μέταλλα που είναι συμβατά με την αιθανόλη αντιπροσωπεύουν ένα ευρύτερο φάσμα από εκείνα για μεθανόλη, και ανήκουν στα μέταλλα που περισσότερο χρησιμοποιούνται σήμερα στα συστήματα καυσίμων, έτσι μόνο μερικές αλλαγές είναι αναγκαίες για την χρήση αιθανόλης. Μια σύντομη σύγκριση ανάμεσα στο Ε85, Μ85 και βενζίνη παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. 25

Πίνακας 2. 1 :Σύγκριση χαρακτηριστικών αιθανόλης, Ε85, Μ85 και βενζίνης [1] Fuel property Ethanol M85 E85 Gasoline Formula C 2 H 5 OH C 4 to C 12 Composition weight % Carbon 52.2 43-45 56-58 85-88 Hydrogen 13.1 12-13 13-14 12-15 Oxygen 34.7 43-44 29-30 0-4 Density kg/l 15 o C 0.79 0.79-0.80 0.78-0.79 0.69-9.79 Molecular weight 46.07 100-105 Specific gravity 0.794 0.79-0.80 0.79-0.80 0.69-0.79 Freezing point o C -114 - - -40 Boiling point o C 78 - - 27-225 Vapor pressure kpa 15.9 48-103 38-83 48-103 Specific heat kj/(kgk) 2.4 2.4 2.3 2 Viscosity mpa-s 20 o C 1.19 0.55-0.57 1.07-1.08 0.37-0.44 Water solubility 21 o C 100 100 100 Negligible Electrical conductivity 1.35x10-9 - - 1x10-14 Latent heat of vaporization kj/kg Lower heating value 1000kJ/L 923 1055 836 349 21.1 17.9-18.3 22.4-22.9 30-33 Flash point o C 13 Slightly warmer than gasoline Slightly warmer than gasoline -43 Autoignition temperature o C 423 Greater than gasoline Greater than gasoline 257 Flammability limits Lower vol % 4.3 Wider than gasoline Higher vol % 19 Wider than gasoline Wider than gasoline Wider than gasoline 1.4 7.6 Stoichiometric A/F ratio 9.00 7.7 9.9 14.7 Flame visibility Difficult to see in daylight Initially good, decreases Initially good, decreases Visible in all conditions Octane number Research 108.6 108 107 88-100 Motor 89.7 89 89 80-90 26

2.4. Εφαρμογές Το μέλλον του Ε85 είναι στα μεταφορικά μέσα. Η βιοαιθανόλη είναι ήδη διαθέσιμη ως καύσιμο σε διάφορες μορφές σήμερα. Ως εναλλακτικό καύσιμο που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, μειώνει την ατμοσφαιρική ρύπανση, προωθεί την εγχώρια αγορά ενώ φαίνεται να εξασφαλίζει την μελλοντική κινητικότητα. Πάνω από το 80% της παγκόσμιας παραγωγής αιθανόλης χρησιμοποιείται στον τομέα των μεταφορών. Η αιθανόλη γνωρίζει σημαντική ανάπτυξη στις Ηνωμένες πολιτείες. Το 2004 οι αμερικάνικες εγκαταστάσεις παραγωγής αιθανόλης έφτασαν το ρεκόρ παραγωγής καθώς οι καταναλωτές χρησιμοποίησαν περισσότερα από 3 δισεκατομμύρια γαλόνια αιθανόλης στα οχήματά τους. Τον Αύγουστο του 2005 υπεγράφη ενεργειακή νομοθεσία, η οποία ζητεί 7.5 δισεκατομμύρια γαλόνια αιθανόλης ή και βιοντίζελ που θα χρησιμοποιείται ετησίως μέχρι το 2012, σε οχήματα της Αμερικής. Παράλληλα προωθείται η έρευνα για τα οχήματα FFV. Τα οχήματα αυτά είναι σχεδιασμένα ώστε να μπορούν να χρησιμοποιούν οποιοδήποτε καύσιμο επιθυμεί ο χρήστης, είτε βενζίνη είτε Ε85. Η τεχνολογία των οχημάτων που χρησιμοποιούν Ε85 είναι σχεδόν η ίδια με εκείνη για την χρήση Μ85 επιτρέποντας στους κατασκευαστές να τα κατασκευάσουν γρήγορα, δεδομένου ότι έχουν κατασκευαστεί ήδη οχήματα Μ85. Η ταχεία εισαγωγή των οχημάτων Ε85 στην αγορά δεν θα ήταν δυνατή χωρίς την πρωτοποριακή εργασία που προηγήθηκε για τα οχήματα Μ85. Τα FFV που έχουν κατασκευαστεί για χρήση Ε85 παρουσιάζουν παρόμοια οδική συμπεριφορά, όπως με την χρήση βενζίνης, αν και οι επιδόσεις έχουν βελτιωθεί περίπου κατά 5% λόγω της επίδρασης του ψυχρότερου εισαγόμενου αέρα ( υψηλή λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης) καθώς και του υψηλού αριθμού οκτανίου. Η αποδοτικότητα των καυσίμων σε όρους ενέργειας είναι περίπου ίδια ή ελαφρώς καλύτερη καθώς οι ιδιότητες καύσης του Ε85 ευνοούν μια πιο επιθετική καύση χωρίς αλλαγή στις εκπομπές καυσαερίων. Όταν ένα ευέλικτο όχημα είναι βελτιστοποιημένο για χρήση Ε85 με τροποποίηση της σχέσης συμπίεσης, τότε ο κινητήρας παρουσιάζει καλύτερες επιδόσεις, μεγαλύτερη απόδοση καυσίμου ή και έναν συνδυασμό των δύο προηγουμένων, ανάλογα με το σύστημα ελέγχου του κινητήρα. Οι απαιτήσεις συντήρησης των οχημάτων που χρησιμοποιούν Ε85 θα πρέπει να είναι ουσιαστικά οι ίδιες με τα οχήματα κατασκευασμένα για Μ85, και σχετικά κοντά με τα αντίστοιχα οχήματα που χρησιμοποιούν βενζίνη. Το λιπαντικό που απαιτείται διαθέτει ένα ειδικό πακέτο προσθέτων και έτσι είναι ιδιαίτερα ακριβό λόγω των χαμηλών ποσοτήτων παραγωγής. Σε μεγάλες μονάδες παραγωγής θα μπορούσε να φτάσει την τιμή του λιπαντικού για κινητήρες βενζίνης. Δεν υπάρχει κανένας 27

ιδιαίτερος λόγος να πιστεύουμε ότι τα οχήματα Ε85 δεν μπορούν να διαρκέσουν όσο τα βενζινοκίνητα. Δοκιμές που έχουν πραγματοποιηθεί για μεγάλα χρονικά διαστήματα πάνω σε οχήματα που χρησιμοποιούν Μ85 έδειξαν παρόμοια φθορά κινητήρα συγκριτικά με την βενζίνη. Λόγω της παρόμοιας συμπεριφοράς αιθανόλης και μεθανόλης, το παραπάνω θα πρέπει να ισχύει και για οχήματα Ε85. Η χρήση Ε85 συνεχώς αυξάνεται κυρίως στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής και ο αριθμός των σταθμών που πουλάνε Ε85 αλλάζει πολύ γρήγορα. Σχεδόν κάθε μήνα όλο και περισσότεροι προστίθενται στην λίστα με τους σταθμούς που έχουν φτάσει παραπάνω από 2524. Στην Ευρώπη το Ε85 χρησιμοποιείται κυρίως στην Ιταλία, την Φιλανδία και την Σουηδία, στην τελευταία το μεγαλύτερο μέρος του καυσίμου εισάγεται από την Ιταλία και την Βραζιλία. Το 2009 αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η General Motors, Ford, Chrysler και Toyota προώθησαν FFV οχήματα στην Αμερική. Μάλιστα η General Motors μέχρι το 2012, θα έχει αφιερώσει το 50% της παραγωγής της στα FFV οχήματα. Επίσης μέχρι την ίδια χρονική περίοδο όλα τα προϊόντα της Bentley Motors θα είναι FFV με πατενταρισμένο σύστημα καυσίμου. Η Σουηδία έχει κατορθώσει να διαθέτει τον μεγαλύτερο στόλο FFV οχημάτων στην Ευρώπη. Με μια απότομη αύξηση από 717 οχήματα το 2001 έφτασε τα 195545 οχήματα τον Μάιο του 2010. Το 1/5 των αυτοκινήτων στην Στοκχόλμη λειτουργούν με εναλλακτικά καύσιμα. Εταιρείες όπως SAA, Volvo, VW, Koenigsegg, Skoda, Seat, Citroen, Peugeot, Renault και Ford προμηθεύουν την Σουηδία με τα οχήματα. 28

3. ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ & E85 3.1. Μετατροπή κινητήρα Στο παρόν κεφάλαιο, εφ όσον έχει γίνει κατανοητή η φύση του καυσίμου, θα παρουσιαστεί ο κινητήρας ο οποίος χρησιμοποιήθηκε από την ομάδα της ART για την κατασκευή του νέου μονοθέσιου, ενώ ταυτόχρονα θα παρουσιαστούν οι τροποποιήσεις οι οποίες έγιναν προκειμένου ο κινητήρας να λειτουργεί αποδοτικά και με τα δύο καύσιμα. Οι περιορισμοί που θέτει ο διαγωνισμός για την σχεδίαση του κινητήρα παρουσιάζονται συνοπτικά προκειμένου να γίνει κατανοητή η μέθοδος σχεδίασης που ακολουθήθηκε. Ο κινητήρας μπορεί να είναι είτε σχεδιασμένος και κατασκευασμένος εξ ολοκλήρου από την ομάδα είτε να χρησιμοποιηθεί ένας κινητήρας εμπορίου. Τίθεται ένας περιορισμός των 610cc, ενώ επιβάλλεται η χρήση μόνο τετράχρονου κινητήρα. Προκειμένου να μειωθεί η ισχύς του για λόγους ασφαλείας, αφού μιλάμε για φοιτητικό διαγωνισμό, τοποθετείται ένας περιοριστής στην εισαγωγή, 19mm για χρήση Ε85 και 20mm για χρήση βενζίνης. Αυτό είναι το βασικότερο πρόβλημα που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι φοιτητές στο θέμα του κινητήρα. Επιπλέον ο ανεξάρτητος στραγγαλισμός ανά κύλινδρο πρέπει να αφαιρεθεί και να τοποθετηθεί μόνο ένας ενιαίος στραγγαλισμός ακριβώς μπροστά από τον περιοριστή και έπειτα να ακολουθεί το κουτί της εισαγωγής και η πολλαπλή. Οι παραπάνω περιορισμοί ενισχύονται από τον περιορισμό του χώρου καθώς η σχεδίαση του μονοθέσιου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Εφ όσον χρησιμοποιηθεί ένας κινητήρας εμπορίου είναι φανερή η δυσκολία να χρησιμοποιηθεί η εργοστασιακή εισαγωγή και εξαγωγή. Εκτός από τους περιορισμούς στον σχεδιασμό, υπάρχουν και κάποιοι περιορισμοί στην λειτουργία του κινητήρα. Ο αέρας που εισάγεται στη πολλαπλή θα πρέπει να περνάει μόνο από τον περιοριστή και να μην υπάρχει κάποια διαρροή αέρα μετά από αυτόν. Για να ελεγχθεί ο παραπάνω περιορισμός, ο κινητήρας υποχρεούται να σβήσει αμέσως με το που θα κλείσει η κύρια είσοδος του αέρα. Εάν ο κινητήρας δεν σβήσει, αυτό σημαίνει ότι εισάγεται αέρας και από κάποιο άλλο σημείο, για αυτόν ακριβώς τον λόγο η εισαγωγή θα πρέπει να είναι σωστά σχεδιασμένη και να έχει στεγανοποιηθεί στα σημεία που κρίνεται απαραίτητο. Ο κινητήρας που επιλέχθηκε, προέρχεται από μοτοσικλέτα Honda CBR 600RR PC-37. Η επιλογή του έγινε λόγω της ιδιαίτερης αξιοπιστίας σε συνδυασμό με την υψηλή απόδοση που διαθέτει έναντι των άλλων κινητήρων της κατηγορίας του. Ικανοποιεί τους περιορισμούς του 29