Favorire la comprensione delle potenzialità del biocarburante per un ambiente più pulito
Per lungo tempo i biocarburanti sono stati pubblicizzati come una promettente soluzione alla sfida di soddisfare le necessità energetiche e di trasporto in costante crescita, in un modo più sicuro e sostenibile rispetto alle fonti convenzionali. I cosiddetti biocarburanti di seconda generazione (2G), ossia quelli prodotti da biomassa come ad esempio quella vegetale e sostanze animali (fonti di carbonio organico), potrebbero offrire una simile fornitura di carburante a livello mondiale. La 2G migliora la prima generazione (ottenuta da zuccheri e oli vegetali) dal momento che non presenta le stesse limitazioni in termini di quantità recuperabili. Tuttavia, la sfida per una diffusa adozione di biocarburanti 2G per l’industria aeronautica e per quella automobilistica, ad esempio, è che alcuni aspetti dei loro processi di combustione non sono ancora del tutto chiari. Questo se si fa un confronto con la nostra comprensione del meccanismo di ossidazione/combustione delle molecole degli idrocarburi nei combustibili convenzionali. Questo è in larga parte dovuto alla gamma più ampia di strutture chimiche coinvolte nella miscela. Il progetto 2G-CSAFE, finanziato dall’UE, è stato creato per colmare alcune di queste lacune nei dati mediante lo sviluppo di modelli cinetici e osservando in modo specifico gli inquinanti generati dalla combustione e le fasi intermedie chiave per l’accensione dei combustibili nei nuovi motori. Modellazione cinetica Il team del progetto 2G-CSAFE ha sviluppato diversi modelli cinetici di combustibili 2G perché, come spiega il dott. Philippe Dagaut, il coordinatore del progetto, “Un modello cinetico può essere definito come uno strumento numerico che verrà usato per imitare, e possibilmente prevedere, la combustione dei carburanti.” La composizione mista dei biocombustibili 2G li rende particolarmente complessi e quindi il team ha usato composti di combustibili surrogati nei propri modelli, essendo in grado di estrapolare dalle loro scoperte. Come spiega meglio il dott. Dagaut, “I modelli per la combustione degli idrocarburi sono relativamente semplici da scrivere grazie ai numerosi sforzi effettuati a partire dagli anni settanta del secolo scorso. Per i biocarburanti di seconda generazione, questo è differente: le loro strutture chimiche li fanno reagire in modo differente, sia in termini di velocità di reazione o reattività, che in termini di percorsi di reazione.” Il progetto ha studiato diverse caratteristiche dei biocarburanti 2G. In primo luogo, le reazioni chimiche delle numerose fasi necessarie per la combustione (dalla miscela carburante-aria alla formazione di acqua e anidride carbonica come prodotti finali, ma anche quella di specie incombuste come i composti organici volatili o gli idrocarburi poliaromatici). In secondo luogo, esso ha tracciato i parametri che descrivono la velocità alla quale ogni reazione chimica procede. Secondo il dott. Dagaut, ciò che ha reso la ricerca particolarmente impegnativa è stato il fatto che il team si muoveva in un territorio inesplorato. Come ricorda, “Partendo da zero, la strada verso il successo è sempre più lunga del previsto. Ad esempio, misurare quantitativamente il radicale HO2 è stato più difficile del previsto; estrarre i parametri di accensione dagli esperimenti con il reattore a micro flusso non è stato semplice come inizialmente si pensava.” Tracciare un sentiero con anteprime mondiali Nel complesso, 2G-CSAFE ha dimostrato che ciò che più conta è la miscela precisa del combustibile. La combustione del biocarburante ha dimostrato di essere più rischiosa in alcuni casi rispetto a quella dei carburanti convenzionali. Come riassume il dott. Dagaut, “A seconda della struttura combustibile dei biocarburanti si possono avere meno idrocarburi poliaromatici inquinanti, ad esempio con alcoli ed esteri, o di più rispetto che con carburanti convenzionali come ad esempio il dimetilfurano.” La ricerca ha inoltre dimostrato l’importanza di alcune reazioni tipiche come ad esempio l’eliminazione molecolare nel caso dei combustibili ossigenati, mentre queste reazioni sono spesso trascurate per gli idrocarburi. Il progetto ha creato diversi strumenti pratici e metodologie, molti dei quali sono delle anteprime mondiali. Ad esempio, esso ha ottenuto le prime misurazioni quantitative di radicali HO2, durante l’ossidazione di carburanti, usando un gruppo JSR-cono campionamento-CRDS, un risultato rilevante vista l’importanza di questo radicale per l’accensione. Usando un reattore a micro flusso, il progetto è stato anche in grado di misurare la frequenza per le fiamme con estinzione e accensione ripetute (FREI, Flames with Repetitive Extinction and Ignition), oltre alla prima osservazione di fiamme deboli oscillanti, ovvero un comportamento previsto ma mai osservato prima d’ora. Fenomeni che potrebbero avere delle implicazioni significative per l’utilizzo di micro-combustori quali possibili sostituti per le batterie. Il team sta attualmente lavorando alla ulteriore convalida dei modelli di combustione per i biocarburanti più complessi. Esso sta anche studiando ulteriormente l’accensione assistita da plasma e il controllo della combustione, basandosi sulla scoperta effettuata dal progetto che nei motori ad accensione per compressione di una carica omogenea (HCCI), l’aggiunta di piccole quantità di specie attive separatamente e miscelate (NO, NO2, O3) presentava un grande potenziale per una maggiore efficienza.
Parole chiave
2G-CSAFE, biocarburanti, combustione, ossidazione, accensione, carburanti, carbonio organico, motori, aeronautica, automobili, inquinanti, modelli cinetici, idrocarburi, assistito da plasma
