M.Gogos Ethanol Apr2010 handoutusers.otenet.gr/~ m_gogos/files/M.Gogos_Ethanol_Apr2010_handout.pdf26...

ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙ

ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΑΚΑΙ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ

Μερκούριος ΓώγοςΕργαστηριακός Συνεργάτης

Σίνδος, Απρίλιος 2010

2Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Απρίλιος 2010

ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝΤΜΗΜΑ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

1. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ

2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ

3. ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣΣΕ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ

4. ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣΣΕ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ

5. ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣΣΕ ΟΧΗΜΑ ΠΑΛΑΙΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

3

1. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ

Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Απρίλιος 2010


4

• Μείωση αποθεμάτων αργού πετρελαίου

με ταυτόχρονη αύξηση της ζήτησης

Αύξηση τιμής

• Φαινόμενο του θερμοκηπίου

ενίσχυση από ανθρωπογενείς δραστηριότητες

εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου

αποψίλωση δασών

Προβλήματα που αναζητούν λύσεις


5

Εξέλιξη τιμής αργού πετρελαίου

BP

Sta

tistic

al R

evie

w o

f Wor

ld E

nerg

y Ju

ne 2

007

1861 – 2007


6

Φθηνό πετρέλαιο; - Τέλος!


7

Αύξηση CO2 στην ατμόσφαιρα

Wor

ld R

esou

rces

Inst

itute

, 200

7

260

280

300

320

340

360

380

400

1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050

έτος

CO

2 pp

m

Για περίπου 10000 χρόνια η συγκέντρωση του CO2

στην ατμόσφαιρα ήταν σταθερή στα 280 ppm

Μετά τη βιομηχανική επανάσταση αυξήθηκε κατά 36%Τα τελευταία χρόνια αυξάνεται κατά 2ppm ανά έτος


8

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (1/2)


UN

EP

/GR

ID-A

rend

al, 2

002

9Εργαστήριο Μ.Ε.Κ. ΙΙΣίνδος, Απρίλιος 2010

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (2/2)

UN

EP

/GR

ID-A

rend

al, 2

002

10

Ο κύκλος του άνθρακα


http

://bi

oene

rgy.

ornl

.gov

11

Πλεονεκτήματα

Μείωση εξάρτησης από τα ορυκτά καύσιμα

Μείωση έντασης φαινομένου θερμοκηπίου

Ενίσχυση αγροτικού εισοδήματος

Θέσεις εργασίας

Μειονεκτήματα

Ανταγωνισμός με είδη διατροφής

Περιβαλλοντικές επιπτώσεις

Βιοκαύσιμα


12

Αλλαγές χρήσεων γης

UN

FCC

C, 2

008

Η περίπτωση της Βραζιλίας:Κατανομή εκπομπών GHG σε ισοδύναμο CO2


13

2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ



14

Παραγωγή βιοαιθανόλης


15

Ενεργειακό ισοζύγιο βιοαιθανόλης

Mac

edo

et a

l., 2

004,

US

DA

, 200

1, 2

002

& D

TI 2

003

0 2 4 6 8 10 12

Ενεργειακό ισοζύγιο (εκροές/εισροές)

Ζαχαροκάλαμο

Ζαχαρολότευτλα

Άχυρα σιταριού

Καλαμπόκι

Ξύλο

Δημητριακά

1


16

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Ευρώ ανά λίτρο ισοδύναμης βενζίνης

Συνθετική Βενζίνη (F-T)Βενζίνη (χονδρ.)

Καλαμπόκι (Η.Π.Α.)

Δημητριακά (Ε.Ε.)

Κυτταρίνη

Ζαχαροκάλαμο (Βραζιλία)

Κόστος παραγωγής (2006)

Wor

ldw

atch

Inst

itute

, 200

6

ΜέλλονΠαρόν


17

Εκπομπές GHG βιοαιθανόλης

U.S

. DoE

, 200

7

Ποσοστά μείωσης εκπομπών σε σχέση με την πρώτη ύλη και την ενέργειατων διεργασιών, σε σύγκριση με τη βενζίνη

19%28%

78%

52%

86%

Βενζίνη ΚαλαμπόκιΖαχαρο-κάλαμο Κυτταρίνη

Πετρέλαιο Μ.Ο.σήμερα

Φυσικόαέριο

Βιομάζα Βιομάζα Βιομάζα

Η παραγόμενη απόκαλαμπόκι αιθανόλη με τημέθοδο wet-mill και ενέργεια

από κάρβουνο έχει μεγαλύτερεςεκπομπές από τη βενζίνη

κατά 4% (EPA, 2007)


18

Παραγωγή βιοαιθανόλης 2007

F.O

.Lic

ht, 2

008

50%

38%

4% 4% 4%

Η.Π.Α. Βραζιλία Ε.Ε. Κίνα Υπόλ. χώρες


19

Παραγωγή βιοαιθανόλης στην Ευρώπη

Stru

be-D

ieck

man

, 200

7

Οινοποιία7%

Άλλες17%

Ζαχαρότευτλα24%

Δημητριακά44%

Καλαμπόκι8%

Κατανομή πρώτων υλών


20

Κατανάλωση βιοκαυσίμων στην Ε.Ε. (2008)

Eur

Obs

erv’

ER

, 200

9


21

Οδηγία 2003/30/EC


Eur

Obs

erv’

ER

, 200

9

22

3. ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ

ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ



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


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


25

Περιεχόμενο οξυγόνο C2H5OH

φτωχότερο μίγμα στο θάλαμο καύσης

καλύτερη καύση (μείωση εκπομπών CO)

Στοιχειομετρική αναλογία αέρα/καυσίμου

9.79.014.614.7

E85ΑιθανόληDieselΒενζίνη

Σύνθεση κατά βάρος

13-16%12-15%13.1%Υδρογόνο

0034.7%Οξυγόνο

84-87%85-88%52.2%Άνθρακας

DieselΒενζίνηΑιθανόλη


26

92

119112

119

82

103 99 103

87

111105.5

111

129

96

112.5

70

80

90

100

110

120

130

140

150

Απλήαμόλυβδη

MTBE Αιθανόλη TAME ETBE

RON

MON

(R+M)/2

Αριθμός οκτανίου

Μεγαλύτερος από τη βενζίνη μείωση κτυπήματος κινητήρα

Μεγαλύτερος βαθμός συμπίεσης αύξηση ισχύος κινητήρα


RFA

, 200

5

27

Κατώτερη θερμογόνος δύναμη

Μικρότερη σε σχέση με τη βενζίνη

Αιθανόλη: 26750 kJ/kg

Βενζίνη: 43000 kJ/kg

περιέχει περίπου

τα 2/3 της ενέργειας της βενζίνης

λιγότερα km ανά λίτρο

ανάγκη μεγαλύτερης δεξαμενής καυσίμου

ή συχνότερου ανεφοδιασμού

ΑιθανόληΒενζίνη


28

Θερμογόνος δύναμη

Στα μίγματα με ποσοστό αιθανόλης έως και 60% η μειωμένηθερμογόνος δύναμη (κατά 20%) μπορεί να αντισταθμιστεί μεβελτιώσεις του κινητήρα.


Bru

ssta

r, 20

05

29

Διαλυτότητα στο νερό (1/3)

μικρή μοριακή μάζαΑιθανόλη 46.07 gΒενζίνη 100-105 gDiesel 200 g περίπου

ισχυρή πολική ένωση 100% διαλυτή στο νερό

Η παρουσία μικρής ποσότητας νερού σεμίγμα βενζίνης/αιθανόλης προκαλεί τον

διαχωρισμό των φάσεων.


30



Διαχωρισμός των φάσεων

Tank

nolo

gy, I

nc.

31

15 ºC



Dav

id K

orot

ney

32

Επιπτώσεις διαχωρισμού φάσεων

Ο διαχωρισμός των φάσεων των μιγμάτων μπορείνα έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία πάγου στιςσωληνώσεις του κυκλώματος τροφοδοσίας.

Στα οχήματα εναλλακτικού καυσίμου (FFV), ηπαρουσία νερού στο καύσιμο μπορεί να προκαλέσειδυσλειτουργία του αισθητήρα καυσίμου.

Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται αποτελεσματικά μετη χρήση χημικών προσθέτων.


33

Λανθάνουσα θερμότητα εξαέρωσης

πολύ υψηλότερη από τη βενζίνη

Αιθανόλη: 842-930 kJ/kg

Βενζίνη: 330-400 kJ/kg

αύξηση ισχύος μηχανής

αύξηση ογκομετρικού βαθμού απόδοσης

προβλήματα κατά την ψυχρή εκκίνηση


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)


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 NOx


36

Ταχύτητα διάδοσης φλόγας

Η ταχύτητα διάδοσης της φλόγας της αιθανόλης είναι μεγαλύτερηαπό τη βενζίνη σε όλο το φάσμα αναλογιών αέρα/καυσίμου

Bru

ssta

r& B

aken

hus,

200

5


37

Πτητικότητα

Επίδραση του ποσοστού της αιθανόληςστην πίεση ατμών κατά Reid

ΑιθανόληRVP=15-17 kPa

Βενζίνη:RVP=50-100 kPa

Τα μίγματα μεμικρό ποσοστόαιθανόλης έχουνμεγαλύτερηπτητικότητα απότη βενζίνη

Περιβαλλοντικέςσυνέπειες

Fure

y, 1

985


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


39

Αύξηση όγκου μιγμάτων αιθανόλης/βενζίνης:Ο όγκος του μίγματος είναι μεγαλύτερος από το άθροισμα

των όγκων των δύο υγρών

Ανάμειξη με βενζίνη


Uni

on O

il C

ompa

ny o

f Cal

iforn

ia

40

Απόδοση (βελτιστοποιημένων κινητήρων)

Μεγαλύτερο βάρος δεξαμενής και καυσίμου:1% μείωση μεταφορικής ικανότητας(transport efficiency)

Μεγαλύτερος όγκος καυσαερίων:7% κέρδος σε σχέση με τη βενζίνη,1% σε σχέση με το Diesel

Υψηλότερος αριθμός οκτανίων:6% έως 10% κέρδος σε σχέση με τη βενζίνηκαμία διαφορά με το Diesel


41

Θερμικός βαθμός απόδοσης


42

Προβλήματα εκκίνησης (Drivability)

προβλήματα κατά την ψυχρή εκκίνησηλόγω της υψηλότερης λανθάνουσας θερμότηταςεξαέρωσης των μιγμάτων αιθανόλης/βενζίνης

προβλήματα κατά την θερμή εκκίνησηλόγω της αυξημένης πτητικότητας των μιγμάτωνδημιουργούνται συνθήκες ατμόφραξης

υπό κανονικές θερμοκρασιακές συνθήκεςη εκκίνηση δεν παρουσιάζει πρόβλημα


43

Απόδοση κινητήρων αιθανόλης


103.3%

102.1%

103.2%

95.5%

105.5%

110.0%

106.4%

105.3%

89.3% 129.4%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

Ισχύς Ροπή Μέγιστηταχύτητα

Επιτάχυνση(0~100km/h)

Κατανάλωση(L/100km)

Ε0 Ε22 Ε100 Jose

phJr

., 20

05

44

Σημαντικοί παράμετροι σχεδιασμού

λόγος συμπίεσηςη αύξησή του αυξάνει την οικονομία καυσίμουτάση για κρουστική καύση & αυξημένες εκπομπές NOx

γεωμετρία θαλάμου καύσηςθέση αναφλεκτήρα, αριθμός βαλβίδων,τυρβώδης ή ελικοειδής ροή κλπ.

χρονισμός βαλβίδωνμεγαλύτερη επικάλυψη επιδόσεις σε υψηλές ταχύτητεςμικρότερη επικάλυψη χαμηλότερες εκπομπές ρελαντί

διαχείριση καυσίμουο ψεκασμός του καυσίμου δίνει καλύτερα αποτελέσματααπό το καρμπυρατέρ σε κινητήρες που καίνε αιθανόλη


45

Κύριες παράμετροι λειτουργίας

λάμδαμεγαλύτερο λάμδα (συνθήκες φτωχού μίγματος)καλύτερος θερμικός βαθμός απόδοσηςμειωμένες εκπομπές HC & COαυξημένες εκπομπές NOx

προπορεία ανάφλεξηςη επίδραση του χρόνου ανάφλεξης στην κατανάλωσηκαυσίμου είναι αντιστρόφως ανάλογη με την επίδρασηστις εκπομπές καυσαερίων

ανακυκλοφορία καυσαερίων (EGR)η αύξηση της ανακυκλοφορίας μειώνει τις εκπομπές NOx

αλλά αυξάνει τις εκπομπές HC και την κατανάλωση


46

Διαβρωτική ικανότητα (1/2)

Η αιθανόλη είναι πιο διαβρωτική από τη βενζίνη

Υλικά που αλλοιώνονται

Μεταλλικά: ορείχαλκος (brass Cu-Zn)αλουμίνιοεπιμολυβδωμένος χάλυβας

Μη μεταλλικά: φυσικό καουτσούκπολυουρεθάνηφελλόςδέρμαPVCπολυαμίδιακάποια πλαστικά


47

Συμβατά υλικά

Μεταλλικά: ανοδιωμένο αλουμίνιοχάλυβας & ανοξείδωτος χάλυβαςσίδηροςμπρούντζος (bronze Cu – Sn)

Μη μεταλλικά: πολυμερείς ενώσειςνεοπρένιουαλονήματαθερμοπλαστικάπολυπροπυλένιοteflon


Διαβρωτική ικανότητα (2/2)

48

Απαραίτητες τροποποιήσεις κινητήρων Otto

ΜηΜη απαραίτητεςαπαραίτητες ΠιθανώςΠιθανώς απαραίτητεςαπαραίτητες


Jose

phJr

., 20

05

49

Επικαθήσεις (1/2)1.

6L m

pi4s

pd A

utom

atic

199

785

060

km

1.3L

mpi

3spd

Aut

om. 1

996

12

5 81

1 km


Orb

italA

ustra

lia P

TY L

td.,

2007

50

1997 Toyota Hilux 2.4L Carburetor115 418 km


Επικαθήσεις (2/2)

Orb

italA

ustra

lia P

TY L

td.,

2007

51

Επιπτώσεις στο σύστημα τροφοδοσίας

1997 Toyota Hilux 2.4L Carburetor [115 418 km]Φίλτρο καυσίμου μετά από χρήση E5 για 20000 km και E10 για 10000 km


Orb

italA

ustra

lia P

TY L

td.,

2007

52

Εκπομπή καυσαερίων (1/2)

Οριοθετημένοι από τη νομοθεσία ρύποι

CO

HC

NOx

PM

Αέριο θερμοκηπίου

CO2


53

Μη οριοθετημένοι από τη νομοθεσία ρύποι

methanol & ethanol

formaldehyde

acetaldehyde

methyl & ethyl nitrite

benzene

toluene


Εκπομπή καυσαερίων (2/2)

54

Εκπομπές λόγω εξάτμισης (αναθυμιάσεις)

Μίγματα αιθανόλης/βενζίνης:

• Αύξηση εκπομπών VOC λόγω μεγαλύτερης τάσης ατμών

• Αυξημένη διαπερατότητα λόγου μικρότερου μεγέθους μορίου

• Commingling effect

68%

27%

5%

Καυσαέρια Αναθυμιάσεις Ανεφοδιασμός

Κατανομή εκπομπώνπτητικών οργανικών ενώσεωνβενζινοκίνητων οχημάτωνστη Δυτική Ευρώπη

Bru

ssta

r& B

aken

hus,

200

5


55

Αγώνες ταχύτητας


Ethanol Hemelgarn Racing Team2005 Indy Car series

Team NasamaxLe Mans 2004

56

4. ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ

ΣΕ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ



57

Ιδιότητες μιγμάτων αιθανόλης/Diesel

σταθερότητα μιγμάτωνκάτω των 10 °C τα δύο καύσιμα διαχωρίζονται

ιξώδες και λιπαντική ικανότηταχαμηλότερο ιξώδες και μειωμένη λιπαντική ικανότητα

κατώτερη θερμογόνος δύναμηχαμηλότερη (μειώνεται 2% ανά 5% vol αιθανόλης)

αριθμός κετανίουμικρότερος (καθυστέρηση στην ανάφλεξη)

συμβατότητα υλικών

Ανάγκη χρήσης βελτιωτικών προσθέτων


58

Επιπτώσεις μιγμάτων αιθανόλης/Diesel

• μείωση ισχύος σε σχέση με το Dieselμικρότερη κατώτερη θερμογόνος δύναμηαυξημένες διαρροές λόγω χαμηλότερου ιξώδους

• αύξηση κατανάλωσης4-5% (Hansen et al., 2001)

• φθορά κινητήρα10% ΕtOH φυσιολογική φθορά15% EtOH μη φυσιολογική φθορά στους εγχυτήρες

Το ποσοστό της αιθανόλης πρέπει να περιοριστείκάτω του 10% (UIUC, 2000)


59

Επιπτώσεις στα καυσαέρια

• εκπομπές PM E10-Diesel: 73-80% σε σχέση με το Diesel

• εκπομπές NOx

E10-Diesel: 96-100% σε σχέση με το Diesel

• εκπομπές CO


• εκπομπές HC



60

Τάση ανάφλεξης

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Θερμοκρασία οC

Βενζίνη

Μεθανόλη

Αιθανόλη

E-Diesel

Diesel

Σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος οι ατμοί του ρεζερβουάρ πουπεριέχει E-Diesel είναι εύφλεκτοι ή εκρηκτικοί

Αλλαγή κατηγορίας από Class II (καύσιμο) σε Class I (εύφλεκτο)

NR

EL,

200

3


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).


62

Ευχαριστώ για την προσοχή σας!


M.Gogos Ethanol Apr2010 handoutusers.otenet.gr/~ m_gogos/files/M.Gogos_Ethanol_Apr2010_handout.pdf26...

Documents

Transcript of M.Gogos Ethanol Apr2010 handoutusers.otenet.gr/~ m_gogos/files/M.Gogos_Ethanol_Apr2010_handout.pdf26...