1 ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΟΥ ΒΙΟΝΤΙΖΕΛ ΣΤΙΣ ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΝΟΜΟΘΕΤΗΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΜΗ ΝΟΜΟΘΕΤΗΜΕΝΩΝ ΡΥΠΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ EURO 4+. ΜΕΡΟΣ 1 Ο : ΝΟΜΟΘΕΤΗΜΕΝΟΙ ΡΥΠΟΙ Καλογήρου M. 1, Φονταράς Γ. 1, Πιστικόπουλος Π. 1, Σαµαράς Ζ. 1, Rose Κ. 2 1 Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής, Τµήµα Μηχανολόγων Μηχ., Α.Π.Θ., τηλ. 2310 996014, E-mail: zisis@auth.gr 2 CONCAWE s Fuels & Emissions Area, Brussels, Belgium ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η χρήση και τα ποσοστά ανάµιξης βιοντίζελ στο καύσιµο ντίζελ αναµένεται να αυξηθούν τα επόµενα χρόνια ώστε να καλυφθεί το απαιτούµενο από τη νοµοθεσία ποσοστό των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας στις µεταφορές. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο να γίνει πλήρως κατανοητή η επίδραση του βιοντίζελ στη λειτουργία και στις εκποµπές οχηµάτων diesel νέας τεχνολογίας (Euro 4+). Στόχος της παρούσας µελέτης ήταν η συλλογή µε συστηµατικό τρόπο πειραµατικών δεδοµένων από τέτοιου είδους οχήµατα που λειτουργούσαν µε µίγµατα µεθυστελέρα κραµβελαίου (RME)/ντιζελ στο εύρος 0 έως 50% και η διερεύνηση τυχόν µεταβολών στην κατανάλωση καυσίµου και τις εκποµπές των οχηµάτων. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η χρήση βιοντίζελ επιδρά διαφορετικά στον ψυχρό από ότι στους ζεστούς κύκλους οδήγησης. Παρατηρήθηκε όµως γενικά συστηµατική αύξηση της ογκοµετρικής κατανάλωσης καυσίµου µε αύξηση του ποσοστού του βιοντίζελ ενώ αντίστοιχα παρατηρήθηκαν µόνο οριακές µεταβολές στις εκποµπές του CO 2. Τα επίπεδα ΝΟ x φαίνεται να αυξάνουν και οι σωµατιδιακές εκποµπές να µειώνονται µε αύξηση του ποσοστού του βιοντίζελ σε κάθε περίπτωση. EFFECT OF BIODIESEL ON THE REGULATED AND NON- REGULATED EMMISIONS OF EURO 4+ DIESEL VEHICLES. PART 1: REGULATED EMISSIONS Kalogirou M. 1, Fontaras G. 1, Pistikopoulos P. 1, Samaras Ζ. 1, Rose Κ. 2 1 Laboratory of Applied Thermodynamics, Aristotle University Thessaloniki, tel. 2310 996014, E-mail: zisis@auth.gr 2 CONCAWE s Fuels & Emissions Area, Brussels, Belgium ABSTRACT The use of biodiesel/diesel blends is expected to increase in the next years in order to meet the legislation targets for the use of renewable products in road fuels. It is therefore crucial to fully understand the effect that biodiesel has on the operation of vehicles of new technology. In this direction, the objective of the present study was the collection in a systematic way of experimental data from modern diesel Euro 4+ vehicles functioning with blends of rapeseed methyl ester (RME)/diesel in the range 0-50% v.v. and the investigation of the effect of the fuel on the vehicle s consumption and emissions. Different effect was observed in the cold and hot driving cycles. A systematic increase of the volumetric fuel consumption was, however, generally observed with increasing percentage of biodiesel while only marginal changes in the CO 2 emissions were observed. NO x emissions increased while particulate matter emissions decreased with increasing biodiesel percentage in the fuel.
2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρήση και τα ποσοστά ανάµιξης βιοντίζελ στο καύσιµο ντίζελ αναµένεται να αυξηθούν τα επόµενα χρόνια ώστε να καλυφθεί το απαιτούµενο από την ευρωπαϊκή νοµοθεσία (2009/28/EC) ποσοστό των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας στις µεταφορές. Το ποσοστό αυτό θα πρέπει να ανέρχεται σε 10% (σε όρους ενεργειακού περιεχοµένου) µέχρι το 2020. Στην κατεύθυνση αυτή ήδη σήµερα αναµιγνύονται διαφόρων τύπων µεθυλεστέρες λιπαρών οξέων (FAME, προδιαγραφών EN 14214 [1]) µε συµβατικό diesel. Το τυπικό σύγχρονο diesel προδιαγραφών EN 590 [2] επιτρέπει την ανάµιξη FAME έως και 7% κ.ο. ενώ ο µεθυλεστέρας κραµβελαίου (RME) φαίνεται να είναι εκείνος που χρησιµοποιείται περισσότερο παγκοσµίως. Στην κατεύθυνση αυτή και µε στόχο τη βέλτιστη χρήση του βιοντίζελ στις µεταφορές είναι απαραίτητο να γίνει πλήρως κατανοητή η επίδραση του τόσο στην κατανάλωση καυσίµου και κατ επέκταση και στο εκπεµπόµενο CO 2 όσο και στις εκποµπές ρύπων. Πιο συγκεκριµένα η χρήση βιοκαυσίµων επιδρά στην κατανάλωση καυσίµου των οχηµάτων διότι τα βιοκαύσιµα έχουν χαµηλότερο ενεργειακό περιεχόµενο από ότι τα συµβατικά καύσιµα. Αυτό πρακτικά σηµαίνει ότι για τον ίδιο κύκλο οδήγησης αναµένεται να απαιτηθεί µεγαλύτερος όγκος καυσίµου ειδικά όσο το ποσοστό ανάµιξης βιοντίζελ/ντίζελ αυξάνει. Επιπλέον µέχρι τώρα η έµφαση της έρευνας στην περιοχή των βιοκαυσίµων ήταν στη διερεύνηση της επίδραση τους στις εκποµπές του κινητήρα. Και εδώ όµως παρόλο που υπάρχουν αρκετές προηγούµενες µελέτες, π.χ. [3, 4] αυτές αφορούν κυρίως σε κινητήρες βαρέων οχηµάτων και το τοπίο δεν είναι ξεκάθαρο ειδικά στην περίπτωση των ελαφρών οχηµάτων µε συστήµατα έγχυσης υψηλής πίεσης και µε σύγχρονα συστήµατα αντιρρύπανσης. Αναγνωρίζοντας συνεπώς τα σηµαντικά ερωτήµατα και τις δυσκολίες που υπάρχουν ακόµα στην περιοχή, η παρούσα µελέτη είχε ως στόχο τη συλλογή µε απόλυτα συστηµατικό τρόπο πειραµατικών δεδοµένων και τη διερεύνηση µέσω αυτών της επίδρασης του βιοντίζελ στην κατανάλωση καυσίµου και τις εκποµπές των οχηµάτων. Για το σκοπό αυτό έγιναν πολύ καλά ελεγχόµενες µετρήσεις σε ελαφρά οχήµατα µε συστήµατα αντιρρύπανσης τελευταίας τεχνολογίας (Euro 4 +). Η µελέτη αφορούσε συγκεντρώσεις βιοντίζελ στο καύσιµο στο εύρος 0-50% κ.ο. Ο λόγος που επιλέχθηκαν τόσο µεγάλες συγκεντρώσεις ενώ προς το παρόν δεν προβλέπεται η χρήση τους ήταν τόσο το να αποκτηθεί εµπειρία για την συµπεριφορά των οχηµάτων σε υψηλότερες συγκεντρώσεις όσο και η προσπάθεια να µεγιστοποιηθούν οι παρατηρούµενες διαφοροποιήσεις, οι οποίες αναµενόταν να είναι πολύ µικρές από µίγµα σε µίγµα και έτσι να γίνει πιο εύκολα η ταυτοποίηση των φαινοµένων. Η διερεύνηση κάλυψε µεγάλο εύρος συνθηκών λειτουργίας των οχηµάτων και όχι µόνο τον νοµοθετηµένο κύκλο, ο οποίος αποτελεί το σηµείο αναφοράς της λειτουργίας τους. Κάτι τέτοιο κρίθηκε απαραίτητο διότι η συµπεριφορά των οχηµάτων σε πραγµατικές συνθήκες οδήγησης µπορεί να διαφέρει σηµαντικά από αυτή του νοµοθετηµένου κύκλου. Έτσι, επιλέχθηκε ένα πρωτόκολλο το οποίο συνδύαζε: (α) τον νοµοθετηµένο Ευρωπαϊκό κύκλο οδήγησης (New European Driving Cycle - NEDC), (β) τους κύκλους προσοµοίωσης πραγµατικών συνθηκών οδήγησης Artemis Urban και Artemis Road [5], οι οποίοι θεωρούνται αντιπροσωπευτικοί των συνθηκών οδήγησης στην πόλη και σε επαρχιακό δρόµο αντίστοιχα και (γ) µετρήσεις σε σταθερά σηµεία λειτουργίας (50 και 120 km/h), τα οποία θεωρήθηκε ότι αντιπροσωπεύουν την λειτουργία του οχήµατος σε υπεραστικές συνθήκες λειτουργίας. Σε κάθε περίπτωση µετρήθηκαν οι νοµοθετηµένοι αέριοι και σωµατιδιακοί ρύποι. Ταυτόχρονα έγινε συλλογή δειγµάτων τα οποία χρησιµοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της φύσης των σωµατιδιακών εκποµπών συναρτήσει της ποιότητας του καυσίµου. Τα αποτελέσµατα της διερεύνησης για τους νοµοθετηµένους ρύπους παρουσιάζονται σε αυτή τη εργασία ενώ τα αποτελέσµατα για τους µη νοµοθετηµένους ρύπους παρουσιάζονται στο 2 ο µέρος της εργασίας µε τίτλο: «Επίδραση
3 του βιοντίζελ στις εκποµπές νοµοθετηµένων και µη νοµοθετηµένων ρύπων οχηµάτων τεχνολογίας Euro 4+. Μέρος 2ο: Μη νοµοθετηµένοι ρύποι». 2. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Χρησιµοποιήθηκαν τέσσερα καύσιµα: ένα καύσιµο αναφοράς (Β0), το οποίο ήταν τυπικό ντιζελ προδιαγραφών ΕΝ590 και τρία µίγµατα ντίζελ-βιοντίζελ: 10% κ.ο. (B10), 30% κ.ο. (Β30) και 50% κ.ο. (B50). Το βιοντίζελ ήταν µεθυλεστέρας προέλευσης αποκλειστικά από κραµβέλαιο (RME), προδιαγραφών ΕΝ14214. Οι κωδικοί Β0, Β10, Β30 και Β50 που εµφανίζονται στις παρενθέσεις θα χρησιµοποιούνται από εδώ και στο εξής για την περιγραφή των µιγµάτων για λόγους συντοµίας. Σε κάθε όχηµα πραγµατοποιήθηκαν πέντε µετρήσεις µε το καύσιµο αναφοράς και 4 µε κάθε ένα από τα µίγµατα, δηλαδή συνολικά 17 µετρήσεις. Η αλληλουχία µέτρησης των καυσίµων ήταν τυχαία. Για τις δοκιµές χρησιµοποιήθηκαν 3 οχήµατα diesel σύγχρονων προδιαγραφών εκποµπών ρύπων (Euro 4+) που κάλυπταν τις πιο διαδεδοµένες τεχνολογίες αντιρρύπανσης και τα πιο σύγχρονα συστήµατα µετεπεξεργασίας του Ευρωπαϊκού στόλου. Όλα τα οχήµατα είχαν κινητήρες απ ευθείας έγχυσης, υψηλής πίεσης έγχυσης και τεχνολογία common rail. Επίσης ήταν εφοδιασµένα µε σύστηµα ανακυκλοφορίας του καυσαερίου (EGR) για τον έλεγχο των εκποµπών NO x καθώς και µε κάποιον οξειδωτικό καταλύτη (DOC) για µείωση των εκποµπών CO και HC. Πιο συγκεκριµένα χρησιµοποιήθηκαν: (1) Όχηµα Α: 2000cc, µοντέλο 2009 µε καταλυτικό φίλτρο σωµατιδίων (CDPF) (2) Όχηµα Β: 2200cc, µοντέλο 2005 µε οξειδωτικό καταλύτη (DOC) και (3) Όχηµα Γ: 1900cc, µοντέλο 2005 µε σύστηµα φίλτρου σωµατιδίων πρόσθετου καυσίµου (DPF). Το πρωτόκολλο µέτρησης περιελάµβανε στη σειρά: (α) τον Ευρωπαϊκό κύκλο οδήγησης (New European Driving Cycle - NEDC),(β) 2 κύκλους EUDC για προετοιµασία του οχήµατος (conditioning), (γ) 2 κύκλους εξοµοίωσης πραγµατικών συνθηκών οδήγησης (µε τη σειρά: Artemis Urban και Artemis Road) και (γ) δύο µετρήσεις σε σταθερά σηµεία λειτουργίας (50 & 120 km/h). Σε κάθε µέτρηση σταθερού σηµείου προηγούνταν ζέσταµα του οχήµατος από πέντε έως δέκα λεπτά και µετά ακολουθούσε η µέτρηση που διαρκούσε περίπου δεκαπέντε λεπτά. Το πρωτόκολλο των µετρήσεων τελείωνε µε απόπλυση του συστήµατος παροχής καυσίµου, αλλαγή καυσίµου και προετοιµασία (conditioning) του οχήµατος για την επόµενη µέτρηση. Οι µετρήσεις εκποµπών ρύπων πραγµατοποιήθηκαν σύµφωνα µε τον Ευρωπαϊκο κανονισµό (Οδηγία 70/220/ΕΟΚ και τροποποιήσεις). Τα καυσαέρια αραιώνονταν σε σύστηµα ειγµατοληψίας Σταθερού Όγκου (Constant Volume Sampling-CVS). Τα αραιωµένα καυσαέρια συλλέγονταν σε σάκους για να γίνουν οι µετρήσεις των αέριων ρύπων. Οι αέριοι ρύποι µετρήθηκαν µε εργαστηριακούς αναλυτές όπως προβλέπεται επίσης από τη Ευρωπαϊκή νοµοθεσία. Τα δείγµατα της σωµατιδιακής µάζας συλλέχθηκαν σε φίλτρα ινών PTFE 47 mm (Pallflex TX40HI20-WW) ακολουθώντας τις προδιαγραφές του πρωτοκόλλου ΡΜΡ [6]. Τα φίλτρα µετά τη ζύγιση τους και τον προσδιορισµό των PM αποθηκεύονταν µε συγκεκριµένο τρόπο ώστε να χρησιµοποιηθούν για τις αναλύσεις χαρακτηρισµού των σωµατιδιακών εκποµπών που όπως αναφέρθηκε παραπάνω παρουσιάζονται στο 2 ο µέρος της εργασίας. Για τον προσδιορισµό της κατανάλωσης καυσίµου χρησιµοποιήθηκε η νοµοθετηµένη διαδικασία (Οδηγία 80/1268/ΕΕC). Ο υπολογισµός στηρίζεται στο ισοζύγιο του άνθρακα ανάµεσα στα καυσαέρια και στο καύσιµο που καταναλώθηκε. Για το σκοπό αυτό, γίνεται η υπόθεση ότι υπάρχει σταθερή αναλογία υδρογόνου/άνθρακα (C/Η) στο καύσιµο. Η αναλογία αυτή για το ντίζελ είναι CH 1.86 ή C/H = 0.155. Καθώς όµως η νοµοθεσία δεν προβλέπει ακόµα αντίστοιχες τιµές για το βιοντίζελ και τα µίγµατά του µε το ντίζελ ήταν απαραίτητο να
4 προσαρµοστεί η µεθοδολογία ως προς την αναλογία C/H των µιγµάτων καθώς και ως προς την περιεκτικότητα του βιοντίζελ σε οξυγόνο κάθε φορά. Αυτό έγινε χρησιµοποιώντας έναν προσαρµοσµένο τύπο για την κατανάλωση καυσίµου βασισµένο στη νέα στοιχειοµετρία που λαµβάνει υπόψη και την περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Τέλος χρησιµοποιήθηκαν οι αναλογίες C/H που προέκυψαν σύµφωνα µε την µέθοδο ASTM D3343 και ήταν 0.156, 0.149, 0.144 για τα Β10, Β30 και Β50 αντίστοιχα. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η συζήτηση και ανάλυση των αποτελεσµάτων χωρίζεται ουσιαστικά σε 2 µέρη. Στο πρώτο µέρος παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα του NEDC. Στόχος είναι να φανεί η επίδραση των βιοκαυσίµων στην περιοχή όπου έχει βελτιστοποιηθεί η λειτουργία του κινητήρα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η σύνοψη των αποτελεσµάτων χωριστά για τον ψυχρό κύκλο και τους ζεστούς κύκλους. Ο διαχωρισµός αυτός γίνεται ώστε να διερευνηθεί η επίδραση των συνθηκών λειτουργίας στη συµπεριφορά του οχήµατος που δουλεύει µε βιοκαύσιµο. Αναφέρεται εδώ ότι ο όρος ψυχρός κύκλος αφορά το αστικό κοµµάτι (UDC) του κύκλου NEDC. 3.1 Κύκλος NEDC Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται η κατανάλωση καυσίµου όπως καταγράφηκε στον νοµοθετηµένο κύκλο και τους υποκύκλους (αστικό κοµµάτι: UDC και υπεραστικό κοµµάτι: EUDC) για τα τρία οχήµατα. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα προκύπτει ότι η διαφοροποίηση της κατανάλωσης καυσίµου µεταξύ των µετρήσεων παρουσιάζει κοινές τάσεις ανάµεσα στα 3 οχήµατα για όλους τους κύκλους οδήγησης. Όπως ήταν αναµενόµενο η αύξηση της συγκέντρωσης βιοντίζελ οδηγεί σε αύξηση της ογκοµετρικής κατανάλωσης καυσίµου η οποία στην πλειοψηφία των περιπτώσεων είναι περίπου ίδιου ποσοστού µε το έλλειµµα στο ενεργειακό περιεχόµενο του µίγµατος (σε σύγκριση µε το καύσιµο αναφοράς). Κανονικοποιηµένες τιµές κατανάλωσης καυσίµου 115% 110% 105% 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% Οχ. Α B0 B10 B30 B50 Οχ. Β Οχ. Γ Οχ. Α Οχ. Β Οχ. Γ Οχ. Α Οχ. Β Οχ. Γ UDC (κύκλος µε ψυχρή εκκίνηση) EUDC NEDC Εικόνα 1 Κατανάλωση καυσίµου (κανονικοποιηµένη ως προς τη µέση κατανάλωση µε το καύσιµο αναφοράς). Οι γραµµές σφάλµατος αντιστοιχούν στην µέγιστη και ελάχιστη τιµή που καταγράφηκε.
5 Στον Πίνακα 1 συνοψίζονται τα αποτελέσµατα των µετρήσεων νοµοθετηµένων ρύπων στα 3 οχήµατα για τον NEDC και συγκρίνονται µε τα όρια της νοµοθεσίας Euro4 και Euro5. Πίνακας 1:Αποτελέσµατα νοµοθετηµένων ρύπων στον NEDC (µέση τιµή 5 µετρήσεων για το Β0 και 4 µετρήσεων για τα υπόλοιπα καύσιµα) * ΟΡΙΑ Β0 Β10 Β30 Β50 Euro 4 Euro 5 Όχηµα Α CO(g/km) 0.5 0.5 0.06 0.07 0.09 0.13 HC(g/km) 0.05 0.05 0.013 0.016 0.017 0.022 NO x (g/km) 0.25 0.18 0.23 0.23 0.26 0.27 PM(g/km) 0.025 0.005 0.001 0.001 0.001 0.001 Euro 4 Euro 5 Όχηµα Β CO(g/km) 0.5 0.5 0.13 0.13 0.14 0.15 HC(g/km) 0.05 0.05 0.018 0.019 0.020 0.022 NO x (g/km) 0.25 0.18 0.23 0.23 0.25 0.27 PM(g/km) 0.025 0.005 0.033 0.028 0.019 0.014 Euro 4 Euro 5 Όχηµα Γ CO(g/km) 0.5 0.5 0.09 0.08 0.10 0.12 HC(g/km) 0.05 0.05 0.017 0.015 0.019 0.020 NO x (g/km) 0.25 0.18 0.26 0.27 0.29 0.30 PM(g/km) 0.025 0.005 0.001 0.001 0.001 0.001 *Με italics εµφανίζονται οι εκποµπές που µετρήθηκαν κάτω από το όριο του Euro 5 ενώ µε bold οι αντίστοιχες τιµές που ξεπέρασαν το όριο Euro 4 Ξεκινώντας τη συζήτηση από τις σωµατιδιακές εκποµπές (PM), παρατηρείται κατ αρχήν ότι σε όλα τα οχήµατα µε παγίδα σωµατιδίων (DPF), δηλαδή για το Όχηµα Α και το Όχηµα Γ, οι εκποµπές βρίσκονται κάτω από τα όρια του Euro 5 ανεξάρτητα από το καύσιµο που χρησιµοποιείται. Από την άλλη πλευρά για το όχηµα Β που δεν έχει DPF, οι σωµατιδιακές εκποµπές είναι πάνω από τα όρια του Euro 4 όταν χρησιµοποιείται καύσιµο Β0 και Β10, καύσιµο χαµηλής περιεκτικότητα σε βιοντίζελ δηλαδή. Επιπλέον παρατηρείται σαφής τάση µείωσης των PM µε αύξηση του ποσοστού του βιοντίζελ. Όσον αφορά τις µετρήσεις CO και HC αυτές σε κάθε περίπτωση είναι χαµηλότερες από τα όρια του Euro 5. Για το λόγο αυτό η αυξητική τάση των εκποµπών που παρατηρείται µε αύξηση της συγκέντρωσης του βιοντίζελ είναι ήσσονος σηµασίας. Επίσης από τα ευρήµατα
6 της στατιστική ανάλυση που έγινε στα αποτελέσµατα και που για λόγους συντοµίας δεν παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία παρατηρήθηκε ότι οι διαφοροποιήσεις µεταξύ των βιοκαυσίµων δεν µπορούν να θεωρηθούν στατιστικά σηµαντικές εκτός ίσως από την περίπτωση του Β50. Εστιάζοντας στη συνέχεια τις εκποµπές NO x παρατηρείται αυξητική τάση µε αύξηση της συγκέντρωση του βιοντίζελ για όλα τα οχήµατα. Πιο συγκεκριµένα οι εκποµπές των NO x βρίσκονται συνεχώς πάνω από το όριο του Euro 4 για το όχηµα Γ ενώ για τα οχήµατα Α και Β το ξεπερνούν µόνο για τις υψηλότερες συγκεντρώσεις βιοντίζελ (για Β30 και Β50 για το όχηµα Α και µόνο για το Β50 για το όχηµα Β). Η προβληµατική αυτή συµπεριφορά των εκποµπών ΝΟ x είναι σηµαντική στην εφαρµογή του βιοντίζελ εάν αναλογιστεί κανείς την επερχόµενη εφαρµογή του αυστηρού ορίου Euro 5 και καθώς είναι γενικά δύσκολο να ελεγθούν οι εκποµπές ΝΟ x. Στην κατεύθυνση αυτή και λαµβάνοντας υπόψη την µείωση των εκποµπών PM µε το ποσοστό του βιοντίζελ καθώς και την εξάλειψη τους µε τη χρήση DPF επιβάλλεται να ακολουθηθεί αλλαγή της χαρτογράφησης των κινητήρων ώστε να εξισορροπήθουν οι εκποµπές NO x µε τις εκποµπές ΡΜ λόγω της σχέσης trade off που υπάρχει µεταξύ τους. 3.2 Σύγκριση ψυχρού και ζεστών κύκλων Στην Εικόνα 2 παρουσιάζονται τα µέσα ποσοστά διαφοροποίησης των τιµών των εκποµπών και της κατανάλωσης καυσίµου που προέκυψαν συνολικά και για τα 3 οχήµατα ως προς τις τιµές που προέκυψαν µε το καύσιµο αναφοράς B0. Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται χωριστά για τον ψυχρό (UDC) και για τους ζεστούς κύκλους (EUDC, Artemis Urban και Road, 120 km/h) ώστε να διερευνηθεί κατά πόσο η κατάσταση λειτουργίας του οχήµατος επηρεάζει τα συµπεράσµατα για την επίδραση των βιοκαυσίµων. Ειδικά για τα PM τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται για όλον τον NEDC διότι οι µετρήσεις δεν προβλέπουν χωριστή δειγµατοληψία στο αστικό και στο υπεραστικό κοµµάτι του NEDC. Εστιάζοντας κατ αρχήν στον ψυχρό κύκλο, παρατηρείται ότι όσο αυξάνει η συγκέντρωση του βιοντίζελ στο καύσιµο τόσο αυξάνουν και οι διαφοροποιήσεις σε σχέση µε το καύσιµο αναφοράς. Η κατανάλωση καυσίµου και όλοι οι νοµοθετηµένοι ρύποι εκτός των PM φαίνεται να αυξάνουν µε αύξηση της συγκέντρωσης του βιοντίζελ. Η επίδραση είναι µεγαλύτερη για το CO και τα HC τα οποία αυξάνουν έως και 60% και 40% αντίστοιχα για το B50. Η διαφοροποίηση κυµαίνεται στο 20% για το B30 και στο 5% για το B10 και για τους 2 ρύπους. Το γεγονός ότι οι τάσεις και τα επίπεδα είναι αντίστοιχα και για τους 2 ρύπους υποδηλώνει ότι το βιοντίζελ έχει παρόµοιο αποτέλεσµα τόσο στο CO όσο και στα HC. Αυτό µπορεί να σηµαίνει ότι υπάρχει συνολική επίδραση στην συµπεριφορά του καταλύτη που τελικά επηρεάζει τα επίπεδα εκποµπής του CO και των HC. Τα ΝΟ x επίσης παρουσιάζουν αύξηση ~ 7% για το Β30 και το Β50 ενώ το Β10 δεν φαίνεται να έχει καµία επίδραση. Αντίθετα, όπως έχει ήδη αναφερθεί οι εκποµπές των PM µειώνονται µε την εφαρµογή του βιοντίζελ. Η επίδραση του Β10 είναι στα όρια της ακρίβειας ενώ για τα B30 και B50 η µείωση φτάνει το 24% και 28% αντίστοιχα. Οι αυξήσεις που παρατηρούνται στην κατανάλωση καυσίµου (FC) ακολουθούν τη µείωση του ενεργειακού περιεχοµένου των καυσίµων µε αύξηση του ποσοστού του βιοντίζελ. Η σταδιακή αύξηση των εκποµπών CO 2 µε το βιοντίζελ από την άλλη µεριά υποδεικνύει σταδιακή µείωση της απόδοσης του κινητήρα που κυµαίνεται από 1% για το B10 έως και πάνω από 3% για το B50.
7 Μέση διαφοροποίηση [%] 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% -40% CO2 Κατανάλωση καυσίµου CO HC NOx PM (NEDC) B10 B30 B50 Μέση διαφοροποίηση [%] 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% -40% CO2 Κατανάλωση καυσίµου CO HC NOx PM B10 B30 B50 (α) Κύκλος µε ψυχρή εκκίνηση (UDC) Ζεστοί κύκλοι (EUDC, Urban, Road, 120 km/h) Εικόνα 2: Μέσο ποσοστό διαφοροποίησης για όλα τα οχήµατα των εκποµπών και της κατανάλωσης καυσίµου από τις µετρήσεις µε τα µίγµατα βιοντίζελ από τις τιµές που προέκυψαν για B0 για (α) τον κύκλο µε ψυχρή εκκίνηση (UDC) και (β) τους EUDC, Artemis Urban and Artemis Road και τα 120km/h Όσον αφορά τα αποτελέσµατα του ζεστού κύκλου, τόσο η κατανάλωση καυσίµου (FC) όσο και το CO 2 αυξάνουν µε αύξηση της συγκέντρωσης του βιοντίζελ στο καύσιµο ακολουθώντας τις τάσεις του ψυχρού κύκλου. Η σταδιακή αύξηση στο CO 2 υποδηλώνει µείωση στην απόδοση του κινητήρα από λιγότερο από 1% για το B10 έως και πάνω από 2% για το B50 σε παρόµοια δηλαδή επίπεδα µε τον ψυχρό κύκλο. Όσον αφορά τα NO x οι διαφοροποιήσεις από τα αποτελέσµατα µε το καύσιµο αναφοράς είναι στο εύρος 1-14%, επιβεβαιώνοντας την έντονη συσχέτιση µεταξύ της αύξηση των NO x και του ποσοστού του βιοντίζελ στο καύσιµο που φάνηκε τόσο στα αποτελέσµατα του NEDC όσο και στα αποτελέσµατα του ψυχρού κύκλου. Οι εκποµπές HC µειώνονται σηµαντικά σε χαµηλές συγκεντρώσεις βιοντίζελ (έως και -18% και -15%, για το B10 και το B30 αντίστοιχα) σε αντίθεση µε αυτό που παρατηρείται στον ψυχρό κύκλο. Η τάση αυτή όµως αλλάζει στην περίπτωση του B50 όπου οι εκποµπές HC στο ζεστό κύκλο παρουσιάζουν σηµαντική αύξηση έως και +28%. Είναι δύσκολο να ερµηνευθεί η συµπεριφορά αυτή καθώς εξαρτάται σηµαντικά εκτός από τις πρωτογενείς εκποµπές του κινητήρα και από την απόδοση του καταλυτικού µετατροπέα του οχήµατος. Τα χαρακτηριστικά καύσης και πτητικότητας κάποιων συστατικών του καυσίµου είναι δυνατόν να ευθύνονται για αυτήν την αύξηση των εκποµπών HC µε τη χρήση B50. Επίσης τα χαρακτηριστικά του καταλύτη, όπως π.χ. η επιλεκτικότητα του για την οξείδωση συγκεκριµένων ειδών HC µπορεί επίσης να ευθύνεται για το αποτέλεσµα αυτό. Τέλος, το βιοντίζελ είναι γνωστό για την τάση του να διαλύει κάποιες ουσίες, π.χ. του λιπαντικού, σε σχέση µε τα συµβατικά καύσιµα κάτι που µπορεί επίσης να συνεισφέρει στις αυξηµένες εκποµπές HC. Όσον αφορά το CO η εφαρµογή του B10 οδηγεί σε µικρή µείωση της τάξης του 2%, ενώ η χρήση B30 και B50 οδηγεί σε µειώσεις της τάξης του -9% και -13%, αντίστοιχα. Τα αποτελέσµατα αυτά δείχνουν ευεργετικό αποτέλεσµα της χρήσης βιοντίζελ στις εκποµπές CO. Είναι όµως αντίθετα από τις παρατηρήσεις που έγιναν για τον κρύο κύκλο επιβεβαιώνοντας την επίδραση της κατάστασης λειτουργίας του καταλυτικού µετατροπέα στα αποτελέσµατα.
8 Όσον αφορά τα PM, η τάση που παρατηρείται για το B10 είναι κάπως περίεργη καθώς φαίνεται να οδηγεί σε αύξηση των εκποµπών της τάξης του 5% ενώ τα B30 και B50 οδηγούν σε µειώσεις ~ 22% και 4% αντίστοιχα. Η εικόνα των PM µε το B10 όµως φάνηκε να είναι διαφορετική όσον αφορά το όχηµα χωρίς παγίδα το οποίο παρουσιάζει καθαρή µείωση των PM µε το ποσοστό του βιοντίζελ. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συνοψίζοντας, από τα αποτελέσµατα της παρούσας µελέτης, φάνηκε ότι το βιοντίζελ επιδρά στους νοµοθετηµένους ρύπους. Τα αποτελέσµατα που παρουσιάστηκαν δείχνουν ότι η χρήση του βιοντίζελ µπορεί να έχει θετικά αποτελέσµατα στην µείωση των ρύπων που εκπέµπονται από τα οχήµατα ντίζελ. Αυτό πάντως επιβάλεται να ακολουθείται από αλλαγή της χαρτογράφησης των κινητήρων για να εξισορροπήθουν οι εκποµπές NOx µε τις εκποµπές ΡΜ λόγω της σχέσης trade-off που υπάρχει µεταξύ τους. Επίσης επιβάλεται η καλύτερη κατανόηση της επίδρασης του βιοντίζελ στη λειτουργία του οξειδωτικού καταλύτη η οποία επηρεάζει τις εκποµπές HC ιδιαίτερα σε υψηλές συγκεντρώσεις βιοντίζελ και κατά την ψυχρή εκκίνηση. Τέλος ιδιαίτερη έµφαση πρέπει να δοθεί από ερευνητικής σκοπιάς στην βελτιστοποίηση των εκποµπών ρύπων σε όλο τον κύκλο ζωής των βιοκαυσίµων καθώς επίσης και στην αύξηση του δυναµικού µείωσης των εκποµπών θερµοκηπίου που αυτά παρουσιάζουν. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα µελέτη στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος Effect of biodiesel application on Euro 4 passenger car fuel consumption, regulated and non-regulated emissions που χρηµατοδοτήθηκε από την CONCAWE. Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν το προσωπικό του Εργαστηρίου Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής που συνεισέφερε στην επιτυχή ολοκλήρωση των µετρήσεων ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] CEN (2009). Automotive fuels fatty acid methyl esters (FAME) for diesel engines requirements and test methods. EN 14214:2008. Brussels: Comité Européen de Normalisation [2] CEN (2009) Automotive fuels diesel requirements and test methods. EN 590:2009. Brussels: Comité Européen de Normalisation [3] Bosteels, D., J. May, H. Karlsson, C. de Serves (2006) Regulated and non-regulated emissions from modern European passenger cars, SAE Paper No. 2006-01-1516 [4] US EPA (2002) A comprehensive analysis of biodiesel impacts on exhaust emissions, EPA 402-P-02-001, Technical report [5]André M., R. Joumard, R. Vidon, P. Tassel, P. Perret (2006) Real-world European driving cycles, for measuring pollutant emissions from high- and low-powered cars Atmospheric Environment, 40(31): 5944-5953 [6]Andersson J., B. Giechaskiel, R. Muñoz-Bueno, E. Sandbach, P. Dilara (2007) Particle Measurement Programme (PMP) Light-duty inter-laboratory correlation exercise (ILCE_LD), European Commission, Particle Measurement Programme (PMP), Final Report No. EUR 22775 EN