Utilizarea combustibili alternativi ca mijloc de reducere a emisiilor poluante

1. Utilizarea gazelor naturale

Gazele naturale constituie un amestec de gaze pure. In acest amestec metanul se regaseste in procentajul cel mai mare. Celelate gaze care apar sunt  bioxidul de carbon, azotul si oxigenul. In tabelul 1 sunt prezentate proprietatile unor combustibili gazosi.

Tabel 1

Pentru stocarea gazelor naturale pe autovehicole se utilizeaza doua procedee :

- imbutelierea in recipienti la presiuni de 150 200 bar si avem gaze naturale comprimate ( GNC) ;

- lichefirea si avem gaze naturale lichefiate ( GNL).

Utilizarea gazelor naturale pentru motoarele cu ardere interna are ca efect scaderea emisiilor de oxizi de azot (NO_x) si de particole materiale (PM).

Utilizarea gazelor naturale pe motoare cu aprindere prin scantei necesita instalatii specializate de dozare si transport precum si un amestecator gaz-aer cum este cel prezentat in figura 1.

In cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare apar unele probleme legate de modul de realizare a aprinderii amestecului. Solutiile cel mai des folosite sunt:

- montarea in fiecare camera de ardere a unei bujii , motorul devenind astfel unul cu aprindere prin scantei MAS-G ;

- injectarea unei mici cantitati de motorina care se autoaprinde si initiaza aprinderea amestecului gaz-aer (D-G).

La ambele solutii (MAS-G sau D-G) amestecatorul trebuie sa aiba o clapeta de reglare a debitului de amestec astfel incat sa se poata controla turatia motorului.

Figura 1 Amestecator gaz - aer.

In cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare trebuie avut in vedere ca acestea sa aiba rapoarte de comprimare mai mici, pentru evitarea fenomenului de detonatie. La gazele naturale rezistenta la detonatie se evalueaza prin cifra metanica CM . Cifra metanica reprezinta procentul in volume de metan dintrun amestec etalon metan - hidrogen (Conventional metanul a primit CM=100 iar hidrogenul CM=0), amestec ce produce aceeasi intensitate de detonatie ca si amestecul gazos incercat.

Utilizarea GPL

Gazele petroliere lichefiate provin in cea mai mare parte din :

- prelucraea titeilului si a gazelor naturale ;

- prelucrarea carbunelui.

Principalii constituenti ai GPL sunt propanul C₃H₈ si butanul C₄H₁₀ (n-butan si izobutan). Proportiile in care se amesteca acesti constituenti difera functie de producator si perioada a anului cand ei sunt utilizati, asa cum se poate observa din tabelul 2. In Japonia amestecurile realizate tin seama si de distributia geografica. Pe langa componentele de baza GPL-ul contine mici cantitati de izopentan C₅H₁₂ si olefine.

Motoarele cu ardere interna alimentate cu GPL emit cantitati mai mici de CO₂ si NO_x fata de situatia alimentarii lor cu motorina. Pentru ca nu contine sulf GPL nu produce prin ardere SO₂, gaz vinovat de producerea ploilor acide. Totodata GPL nu contine hidrocarburi complexe sau constituienti solizi si de aceea toxcitatea sa fata de aer este scazuta. In cazul caderii sale accidentale pe sol se evapora rapid si de disipa in atmosfera.

Tabel 2

In utilizarea GPL drept combustibil pentru motoarele cu ardere interna trebuie avut in vedere si urmatoarele aspecte :

- datorita diferntelor de densitate si de putere calorica trebuie utilizate rezervoare presurizate mai mari cu circa 30% . De mentionat ca in cazul utilizarii GNC buteliile au o masa de patru ori mai mare iar in cazul utilizari GNL vasele criogenice sunt cu 70% mai grele ;

- costurile de realizarea a statiilor de GPL sunt de trei ori mai mici ca in cazul realizarii statiilor de GNC ;

- timpii de alimentare cu GPL sunt mai mici ca in cazul alimentarii cu GNC ;

- GPL se poate stoca si prin lichefiere in urma racirii.

Procedele uzuale de folosire a GPL drep combustibil pentru motoarele cu ardere interna sunt :

- Disel - GPL ;

- MAS - GPL ;

- ID - GPL.

Procedeul Diesel - GPL se aseamana mult cu procedeul Diesel - Gaz. In motor se introduc separat motorina (prin injectie) si amestec GPL gaz - aer. GPL-ul se transforma in vapori intr-un vaporiztor iar presiunea este mentinuta constanta cu un regulator de presiune. Exista si motoare la care GPL-ul se injecteaza in galeriile de admisie, efectul fiind scaderea temperaturii amestecului.

Pornirea se face numai cu motorina.

Ponderea GPL-ului in consumul total este redusa pentru ca la aprinderea motorinei se aprinde si amestecul omogen GPL-gaz care arde rapid. Ca urmare creste duritatea in functionare a motorului. Trebuie spus ca consumul specific echivalent de combustibil este mai mare ca in cazul utilizarii motorinei.

Procedeul MAS - GPL . Se poate aplica direct pe MAS-uri iar pe MAC-uri se poate aplica dupa ce acestea au fost transformate corespunzator (sistemul de alimentare este inlocuit cu sistemul de alimentare cu GPL - carburatie, amestecator sau injectie, chilasa este modificata pentru a primi bujii si se modifica raportul de comprimare).

La procedeul ID-GPL motorina este inlocuita de GPL care se injecteaza direct un cilindru. Pentru a ridica cifra cetanica (prea mica) se folosesc aditivi (DTBP - di-tetiar-butil- peroxid). Concentratia acestuia trebuie sa fie peste 7%, altfel cresc mult emisiile de CO, NO_x, HC si fum).

Pentru ca GPL este mai compresibil ca motorina este necesar sa se mareasca avansul la injectie.

Utilizarea uleiurilor vegetale

2.1 Utilizarea uleiurilor vegetale brute

Uleiurile vegetale brute se pot utiliza singure sau in amestec cu motorina . Utilizarea lor conduce, din punctul de vedere al problemelor de mediu, la reducerea emisiilor de fum si particole materiale, la reducerea emisiilor de oxid si bioxid de carbon precum si a celor de sulf. Ele sunt considerate biodegradabile (98% in 21 de zile fata de numai 50% in cazul motorinei), fapt important in cazul unor eventuale accidente.

Uleiurile vegetale brute sunt combustibili oxigenati intrucat contin intre 4% si 12% oxigen.

Pentru obtinerea lor se utilizeaza seminte provenite din culturile de soia, porumb, floarea soarelui, rapita, diverse nuci si multe altele. Important este faprul ca raportul intre energia consumata pentru realizarea lucrarilor agricole si energia obtinuta din uleiul brut este unul supraunitar (dupa unii autori raportul ar fi mai mare ca 2). Exista totusi problema renuntari la anumite suprafete agricole destinate agriculturii pentru populatie in detrimentul productiei de seminte din care sa se obtina combustibili. Totodata preturile mari de obtinere fac necesara subventionarea unei asemenea activitati pentru ca pretul de vanzare sa fie comparabil cu al combustibililor proveniti din petrol. La toate acestea se adauga faptul ca tehnologiile de obtinere necesare sunt detinute doar de tarile avansate tehnologic.

Datorita continutului lor ridicat in lipoide, saruri grase libere etc. (vezi tabelul 10.3) vascozitatea acestor uleiuri este de pana la 10 ori mai ridicate decat a motorineler. Din aceasta cauza pulverizarea devine problematica intrucat rezulta picaturi mari, greu de evaporat, cu consecinte negative in obtinerea unor amestecuri aer - combustibil omogene. Mai mult, temperaturile de fierbere mai ridicate (peste 460⁰ C) inrautatesc si mai mult situatia.

Tabel 3

Ca urmare puterea motoarelor scade, cresc emisiile de substante nearse lichide. O parte a combustibilului nears ajunge pe suprafata cilindrului si se amesteca cu uleiul de ungere afectand calitatile acestuia.

Un alt neajuns este dat de filtrabilitatea scazuta a acestor uleiuri. Practic nu se poate lucra direct cu uleiuri de floarea soarelui sub 10⁰ C si cu uleul de rapita sub 20⁰ C.

3.3. Biodiselul

Deoarece uleiurile vegetale brute au o serie de inconveniente sa recurs la prelucrarea chimica a acestora prin metoda esterificarii. Folosind un alcool, in prezeta catalizatorilor, se rup moleculele din compozitia uleiului. Rezulta astfel etil esterul (util) si glicerina ca produs secundar. Combustibilul astfel obtinut poarta denumirea de « biodisel ». Acest combustibil are caracteristici apropiate de cele ale motorinelor.

De remarcat faptul ca prin esterificare pot fi transformate in biodisel uleiurile vegetale reziduu din alimentatia publica si grasimile animale.

Pentru a se obtine combustibil de calitate trebuie ca rata de esterificare sa fie mai mare de 85%.

Trebuie avute in vedere urmatoarele aspecte :

- puterea motoarelor alimentate cu biodisel scade datorita puterii calorice mai mici ;

- folosit in amestec cu motorinele actuale le imbunatateste mult calitatile de ungere. Datorita inaspririi normelor de mediu pentru motorine acestea au un continut redus de sulf si de aromatice si in consecinta capacitatea lor de ungere a scazut. Normele europene actuale prevad introducerea graduala a unor procente de biodisel in motorine ;

- un efect negativ este diluarea uleiului de ungere;

- fara pregatiri speciale biodiselul nu se poate folosi la temperaturi scazute ;

- apar incopatibilitati cu unele materiale aflate pe motor (garnituri) ;

- exista tendinta de formare a depunerilor carbonoase in conditiile depozitarii indelungate. Fenomenul nu apare in cazul realizarii de amestecuri motorina-biodesel. Dimpotriva, esterul se comporta ca un aditiv dispersant curatand depunerile de pe injectoare.

4. Hidrogenul

Reprezinta in momentul de fata elementul chimic pe a carui utilizare se conteaza in rezolvarea problemei poluarii mediului ambiant. Se gaseste in cantitati mari, sub forma de combinatii, pe Tera. In stare libera se gaseste in cantitati mici si de aceea obtinerea lui constituie o problema delicata.

Este caracterizat de :

- masa maoleculara redusa ;

- caldura specifica masica mai mare ca a altor gaze ;

- conductivitate termica ridicata ;

- viteza de difuzie foarte ridicata ;

- foarte putin solubil in lichide ;

- se dizolva in metale, la temperaturi ridicate.

Procedee de obtinere.

Obtinerea hidrogenului din apa

Obtinerea hidrogenului din apa se poate realiza prin descompunere termica sau prin electroliza.

Obtinerea hidrogenului prin descompunerea termica a apei este dificila intrucat trebuiesc realizate temperatur ridicate (mai mari de 2800 K) pentru a se asigura un randament ridicat. Pentru a obtine randamente comparabile la temperaturi mai sazute (si deci cu consumuri energetice mai mici) se recurge descompunerea apei prin reactii chimice in mai multe etape, in prezenta unor materiale reutilizabile. Solutiile puse in practica au asigurat randamente bune insa materialele intermediare folosite sunt scumpe si unele din ele foarte poluante (Hg, Br, Zn, etc.), fapt ce anuleaza efectul pozitiv al utilizarii hidrogenului.

Obtinerea hidrogenului prin electroliza reprezinta o solutie ce poate fi aplicata acolo unde exista o disponibilitate insemnata de energie electrica. Se apelica diverse scheme de electroliza a apei :

- instalatii de electroliza bipolare folosind tensiuni ridicate de lucru ;

- instalatii cu celule de electrozi monopolari folosind ca separatori anod/catod membrane poroase ;

- instalatii de electroliza la mare presiune (30 bar si 360K) la 217 V si 3000A ;

- electroliza in faza de vaporila temperatura ridicata (770K) si utilizand electrozi solizi porosi.

Obtinerea hidrogenului din combustibili fosili.

Hidrogenul se obtine din combustibilii fosili prin descompunere termica. procedeele cele mai utilizate sunt :

- piroliza hidrocarburilor in absenta oxigenului ;

- reformarea sub presiune a benzinelor grele ;

- reformare sub presiune a pacurilor;

- reformarea termica a gazelor naturale;

- oxidarea partiala a hidrocarburilor;

- procedee ce au ca baza carbunele.

Alte procedee de obtinere a hidrohenului.

O serie de cercetari de data recenta au indicat posibilitatea producerii de hidrogen prin:

- utilizarea bacteriilor care elimina hidrogen in prezenta luminii;

- fotoliza apei;

- colectarea hidrogenului ptodusi de nodulii unor plante leguminoase;

- utilzarea algelor care produc hidrogen in timpul fotosintezei.

Stocarea si transportul hidrogenului.

Stocarea hidrogenului pentru a fi folosit la alimentarea MAI constituie o problema complexa avand in vedere proprietatile fizicochimice ale acestuia. Stocarea trebuie sa asigure:

- siguranta acceptabila ;

- pastrarea autonomieiei de deplasare in limite rezonabile;

- costuri generale acceptabile.

Posibilitatile de stocare ale hidrogenului sunt :

- in stare gazoasa, in butelii de inalta presiune (25 35 MPa) ;

- in stare lichida, folosind instalatii criogenice speciale ;

- sub forma de hidruri metalice. Constituie o metoda cu rezultate tehnice bune dar necesit materiale costisitoare.

Utilizarea hidrogenului drept combustibil pentru MAI.

Faptul ca hidrogenul se combina cu oxigenul din aer prin ardere, in camera MAI, rezultand apa reprezite motorul eforturilor de obtinere a acestui gen de motoare. Numeroase laboratoare studiaza intens problema, rezultatele fiind pana in prezent modeste. Acest fapt se datoreaza in primul rand caracteristicilor de ardere ale hidrogenului. Viteza sa de ardere este mare si motoarele devin foarte dure in functionare. Inflamabilitatea sa deosebita (chiar si pentru =10.6 se poate aprinde !!) il fac sa se aprinda necontrolat de sursele de caldura din cilindru. In prezent exista o adevarata cursa pentru perfectionarea acestui gen de motoare.