Pomóc lepiej zrozumieć, jak biopaliwa mogą przyczynić się do czystszego środowiska
Biopaliwa od dawna przedstawiane są jako obiecujące rozwiązanie problemu stale rosnącego zapotrzebowania na energię i transport. Uznaje się, że są one bezpieczniejsze i bardziej zrównoważone od zasobów konwencjonalnych. Tak zwana druga generacja biopaliw (2G) – produkowanych zazwyczaj z biomasy takiej jak materiały roślinne czy zwierzęce (czyli źródła węgla organicznego) – mogłaby potencjalnie zaspokoić ogólnoświatowe zapotrzebowanie na paliwo. Biopaliwa drugiej generacji ulepszono względem pierwszej (produkowane z cukru i oleju roślinnego), gdyż nie obowiązują ich takie same ograniczenia co do odzyskiwanych ilości. Jednakże powszechne stosowanie biopaliw drugiej generacji, np. w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, jest utrudnione ze względu na pewne procesy spalania, których nadal do końca nie zbadano. Można to porównać z naszym zrozumieniem mechanizmu utleniania/spalania cząsteczek węglowodorów w paliwach konwencjonalnych. W dużej mierze wynika to z szerokiego wachlarza struktur chemicznych występujących w mieszance paliwowej. Finansowany ze środków UE projekt 2G-CSAFE powstał, aby uzupełnić niektóre braki w danych. W tym celu stworzono modele kinetyczne i przeanalizowano zanieczyszczenia powstające w wyniku spalania, a także główne produkty pośrednie związane z zapłonem paliwa w nowych silnikach. Modelowanie kinetyczne Zespół uczestniczący w projekcie 2G-CSAFE opracował kilka modeli kinetycznych biopaliw drugiej generacji. Jak uzasadnia dr Philippe Dagaut, koordynator projektu – Model kinetyczny można zdefiniować jako narzędzie numeryczne służące do odwzorowania i ewentualnego przewidzenia spalania paliw. Skład biopaliw drugiej generacji sprawia, że są one szczególnie złożone. Dlatego na potrzeby modelowania zespół posłużył się mieszankami paliw zastępczych, a otrzymane wyniki ekstrapolowano. Dr Dagaut objaśnia – Dzięki licznym wysiłkom podejmowanym w latach siedemdziesiątych tworzenie modeli spalania węglowodorów jest stosunkowo łatwe. W przypadku biopaliw drugiej generacji sytuacja wygląda inaczej: ich struktura chemiczna sprawia, że zachowują się odmiennie zarówno pod względem szybkości reakcji czy reaktywności, jak i ścieżek reakcji. W ramach projektu zbadano różne właściwości biopaliw drugiej generacji. Po pierwsze przeanalizowano reakcje chemiczne na wielu etapach potrzebnych do spalania (od mieszanki paliwa z powietrzem do powstawania wody i dwutlenku węgla jako produktów końcowych, ale też niespalonych cząsteczek takich jak związki organiczne czy wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne). Po drugie prześledzono parametry opisujące szybkość, z jaką przebiega każda reakcja chemiczna. Według dr. Dagauta badania były szczególnie trudne, gdyż zespół poruszał się po niezbadanym obszarze. Jak wspomina – Gdy zaczyna się od początku, droga do sukcesu zawsze jest dłuższa niż się tego spodziewamy. Na przykład ilościowy pomiar rodników hydroperoksylowych okazał się trudniejszy niż zakładano. Określenie parametrów zapłonu na podstawie eksperymentów z użyciem reaktora mikroprzepływowego również nie było tak proste, jak wydawało się na początku. Przecieranie szlaków Mówiąc ogólnie, projekt 2G-CSAFE wykazał, że najważniejsza jest konkretna mieszanka paliwowa. Dowiedziono, że w pewnych przypadkach spalanie biopaliw jest niebezpieczniejsze niż spalanie paliw konwencjonalnych. Dr Dagaut podsumowuje – W zależności od struktury biopaliw otrzymać można mniej zanieczyszczeń w postaci wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (np. Alkohole i estry) lub więcej (np. 2,5-dimetylofuran) w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi. Badanie ukazało także znaczenie niektórych typowych reakcji takich jak usuwanie cząsteczek w przypadku paliw utlenionych, podczas gdy reakcje te są często zaniedbywane w przypadku węglowodorów. W ramach projektu opracowano kilka praktycznych narzędzi i metodologii. Niektóre z nich zastosowano po raz pierwszy na świecie. Na przykład uzyskano pierwsze pomiary ilościowe rodników hydroperoksylowych podczas utleniania paliw. W tym celu wykorzystano zestawienie w postaci reaktora z mieszaniem (JSR), stożka próbkującego i spektrometrii strat we wnęce optycznej (CRDS). Z uwagi na duże znaczenie tego rodnika dla zapłonu jest to istotne osiągnięcie. Dzięki wykorzystaniu reaktora mikroprzepływowego zmierzono także częstotliwość występowania FREI (ang. Flames with Repetitive Extinction and Ignition, płomienie o powtarzającym się gaśnięciu i zapłonie), a także po raz pierwszy zaobserwowano zjawisko oscylacji słabych płomieni, które przewidziano już wcześniej. Może to znacząco przyczynić się do uczynienia mikrokomór spalania realną alternatywą dla akumulatorów. Obecnie zespół pracuje nad dalszym potwierdzeniem modeli spalania dla najbardziej złożonych biopaliw. Prowadzone są prace badawcze nad zapłonem wspomaganym plazmą i kontrolą zapłonu. Zespół opiera się na odkryciu dokonanym w ramach projektu: dodanie niewielkiej ilości aktywnych cząsteczek osobno i w formie wymieszanej (NO, NO2, O3) w silnikach spalania mieszanki jednorodnej (HCCI) może znacząco zwiększyć wydajność.
Słowa kluczowe
2G-CSAFE, biopaliwa, spalanie, utlenianie, zapłon, paliwa, węgiel organiczny, silniki, lotnictwo, motoryzacja, zanieczyszczenia, modele kinetyczne, węglowodory, wspomaganie plazmą
