Μελέτη της επίδρασης της χρήσης βιοντίζελ και υδρογόνου ως καύσιμα σε μηχανές εσωτερικής καύσης, στις εκπομπές αέριων ρύπων

Abstract

Από τα τέλη του 19ου αιώνα όταν ανακαλύφθηκαν οι μηχανές ντίζελ, το κυρίως καύσιμο ήταν τα φυτικά λάδια. Παρόλα αυτά, με την ανακάλυψη των ορυκτών καυσίμων και την αφθονία που υπήρχε, η ανάπτυξη της τεχνολογίας των Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ) προσαρμόστηκε πάνω στα ορυκτά έλαια. Αργότερα, όταν το μέγεθος της ανάπτυξης άρχισε να απαιτεί περισσότερα ορυκτά καύσιμα και ο άνθρωπος να ψάχνει για νέα κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων, δημιουργήθηκε και η απορία κατά πόσο θα υπάρχουν επαρκές αποθέματα στο εγγύς μέλλον. Συνειδητοποιώντας αυτήν την πιθανότητα, άρχισε να προσανατολίζεται σε νέες πήγες, τις ΑΠΕ. Ενέργεια η οποία μπορούσε να ανανεωθεί μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Το βιοντίζελ έδειχνε μια πολύ υποσχόμενη πηγή ενέργειας αφού είχε φυσικές και χημικές ιδιότητες παρόμοιες με τα συμβατικά καύσιμα και έτσι με μικρές αλλαγές στις ΜΕΚ που είχαν αναπτυχθεί, θα γινόταν πιο εύκολη η μετάβαση από το ένα καύσιμο στο άλλο. Δυστυχώς, ήταν σχεδόν αδύνατο να καλυφθούν όλες οι ενεργειακές ανάγκες από το βιοντίζελ και έτσι ταυτόχρονα έπρεπε να στραφεί η ανθρωπότητα και σε άλλες ΑΠΕ, όπως η καύση υδρογόνου, φωτοβολταϊκά, αιολική και γεωθερμική ενέργεια. Ίσως με την εκμετάλλευση όλων των ΑΠΕ σε συνδυασμό με τα συμβατικά καύσιμα, η ανθρωπότητα να μην κινδυνεύει από έλλειψη ενέργειας για παρά πολλά χρόνια. Το υδρογόνο, που επίσης παρουσιάζεται σε αυτή την Μεταπτυχιακή Διατριβή (ΜΔ) ως μία εναλλακτική λύση για την παραγωγή ενέργειας, είναι δυνατό να μειώσει τους ρύπους κατά πολύ, ειδικά στις αστικές περιοχές όπου υπάρχει και η μεγαλύτερη συγκέντρωση ρυπογόνων ουσιών. Με την εξάντληση των συμβατικών καυσίμων και με τη χρήση περισσότερων ΑΠΕ, θα μειωθούν όλοι οι εκπεμπόμενοι στην ατμόσφαιρα ρύποι. Είναι όμως μεγάλης σημασίας τα νέα καύσιμα να μπορούν να προσαρμοστούν στις ήδη τεχνολογικά ανεπτυγμένες ΜΕΚ. Τα δύο καύσιμα βιοντίζελ και υδρογόνο, μπορούν με μικρές και μεγάλες μετατροπές αντίστοιχα, να αντικαταστήσουν τα συμβατικά καύσιμα. Σκοπός της παρούσας ΜΔ είναι η μελέτη των ρύπων που προκύπτουν από την καύση βιοντίζελ και υδρογόνου ως πρόσθετα καύσιμα με το συμβατικό πετρέλαιο στις ΜΕΚ. Το βιοντίζελ ως μοναδικό καύσιμο παράγει ίδιους ρύπους με το πετρέλαιο αλλά σε μικρότερες ποσότητες. Το βιοντίζελ, ως ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, δεν επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με επιπλέον ρύπους από ότι θα προκαλούσε κατά τη διάρκεια της φυσικής του εξέλιξης. Οι σημαντικότεροι ρύποι από την καύση βιοντίζελ είναι τα CO, CO2, H2S, SOx, NOx, Υδρογονάνθρακες, VOC’s και PM (αιωρούμενα σωματίδια). Τo υδρογόνο ως μοναδικό καύσιμο παράγει σχεδόν αποκλειστικά NOx και Η2Οg. Tα NOx είναι παραπροϊόντα που προκύπτουν από την καύση του αέρα τα οποία παράγονται σε οποιαδήποτε καύση, αφού πρόκειται για την καύση Ν2 που υπάρχει στην ατμόσφαιρα (78%). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια μικρή αναφορά στους κυριότερους ρύπους που εκπέμπονται από τις ΜΕΚ κατά την καύση βιοντίζελ και συμβατικού πετρελαίου. Γίνεται αναφορά στην ποσοτική μείωση σχεδόν όλων των ρύπων με εξαίρεση τα ΝΟx και H2Οg. Το CO αποτελεί προϊόν ατελούς καύσης υδρογονανθράκων και με διάφορες τεχνικές έχει γίνει κατορθωτό να μειωθεί περισσότερο από 50% τα τελευταία χρόνια. O τρόπος καταστροφής του CO με φυσικές ή ανθρωπογενείς διεργασίες είναι κυρίως η μετατροπή του σε CO2. Όταν πρόκειται για καύση ορυκτών ελαίων ή και άλλων βιοκαυσίμων, το CO αφαιρείται με τη χρήση καταλυτών. Για τα βενζινοκίνητα οχήματα χρησιμοποιείται ο τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας, ο οποίος οξειδώνει το CO σε CO2. Περίπου με τον ίδιο ρυθμό που μειώθηκε το CO, έχει επιτευχθεί η μείωση και στο SO2 αφού με διάφορα νομοθετήματα έχει αφαιρεθεί το S από τα περισσότερα καύσιμα. Ο κυρίως λόγος ύπαρξης των διαφόρων οξειδίων του θείου στην ατμόσφαιρα είναι η καύση του S που υπάρχει μέσα στην καύσιμη ύλη (μαζούτ, ντίζελ, βιοντίζελ κ.ά). Εάν το S δεν έχει αφαιρεθεί από τα καύσιμα, η τεχνολογία που υπάρχει παρέχει τη δυνατότητα να απομακρυνθούν τα δημιουργούμενα SOx με διάφορα συστήματα που τοποθετούνται στα σημεία εξόδου των ρύπων προς την ατμόσφαιρα. Τα NOx (Ν2Ο, ΝΟ, ΝΟ2, Ν2Ο3 και Ν2Ο5) είναι τα προϊόντα της καύσης του αζώτου το οποίο υπάρχει στον αέρα σε ποσοστό 78%. Αυτά που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι το ΝΟ και κυρίως το ΝΟ2. Το ΝΟ αποτελεί το 95% των NOx κατά την καύση αλλά αμέσως οξειδώνεται σε ΝΟ2. Με την υπάρχουσα τεχνολογία και την κατάλληλη θεσμοθέτηση από τα διάφορα κράτη, τα NOx που παράγονται από τις καύσεις σε βιομηχανίες και τα μέσα μεταφοράς, μπορούν να μετατραπούν σε Ν2 πριν εισέρθουν στην ατμόσφαιρα και έτσι να μην υπάρχει περιθώριο ρύπανσης της ατμόσφαιρας. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται επίσης αναφορά για τους HC’s, SVOC’s και VOC’s που εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα. Υδρογονάνθρακες είναι οι οργανικές χημικές ενώσεις που περιέχουν υδρογόνο και άνθρακα μόνο, με γενικό τύπο CxHy. Το 85% των HC’s που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα είναι CH4 (μεθάνιο). Από τις καύσεις παράγονται τα επικίνδυνα VOC’s όπως το βενζόλιο και το χλωριούχο μεθυλένιο. VOC's, είναι οργανικές ενώσεις με σημείο βρασμού μικρότερο ή ίσο με 250°C (482°F), σε σταθερή ατμοσφαιρική πίεση 101.3 kPa. Τα SVOC’s είναι οι ενώσεις με τάση ατμών 10-8 – 10-1 mmHg σε θερμοκρασία 25°C. Τελευταίος από τους ρύπους που αναφέρονται στο κεφάλαιο 1 είναι το CO2, η ουσία που για πολλά χρόνια δεν θεωρείτο ρύπος, όμως με την ανάδειξη του φαινομένου του θερμοκηπίου θεωρήθηκε ως το αέριο που συμβάλει τα μέγιστα στην αύξηση της θερμοκρασίας. Έτσι, έμμεσα, έγινε και το διοξείδιο του άνθρακα ρύπος και μάλιστα σήμερα θεωρείται από κάποιους οργανισμούς παγκόσμιας εμβέλειας και ως ο μεγαλύτερος ρύπος της ατμόσφαιρας και η μεγαλύτερη απειλή του πλανήτη. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερής αναφορά στο βιοντίζελ. Συγκεκριμένα πραγματοποιείται εκτενής αναφορά στις φυσικές και χημικές του ιδιότητες, τον τρόπο παραγωγής του, την ασφάλεια μεταφοράς, και τους ρύπους που παράγει κατά την καύση του. Το βιοντίζελ αποτελεί καύσιμο μη τοξικό πολύ καθαρότερο από τα συμβατικά καύσιμα και δυνατό να μειώσει τους αέριους ρύπους κατά πολύ, χωρίς μάλιστα να μολύνει το υπέδαφος αφού βιοδιασπάται πολύ γρήγορα. Η παραγωγή του βιοντίζελ πραγματοποιείται με την μετεστεροποίηση τριγλυκεριδίων σε εστέρες (βιοντίζελ) και γλυκερίνη. Ο σκοπός αυτής της αντίδρασης είναι η μείωση του ιξώδους του ελαίου και η προσέγγιση προς το ιξώδες των συμβατικών καυσίμων. Η τεχνολογική ανάπτυξη συγκεντρώνεται περισσότερο στην παραγωγή καλύτερων πρώτων υλών και λιγότερο στον τρόπο παρασκευής του βιοντίζελ διότι οι πρώτες ύλες έχουν σημαντικό ρόλο στο τελικό προϊόν. Αρχικά, προηγήθηκε η πρώτη γενεά βιοντίζελ (παραγωγή από βρώσιμα έλαια), ακολούθησε η δεύτερη γενεά βιοντίζελ (παραγωγή από μη- βρώσιμα έλαια) και στην συνέχεια η τρίτη και η τέταρτη γενεά βιοντίζελ (παραγωγή από άλγη). Θεωρητικά, μπορεί να επιφέρει την πλήρη αντικατάσταση των ορυκτών ελαίων, αφού η καύση μπορεί να γίνει με τις υπάρχουσες μηχανές, με μικρές αλλαγές, χωρίς να δημιουργηθούν περεταίρω προβλήματα. Το ερώτημα που τίθεται είναι κατά πόσο υπάρχουν διαθέσιμες τόσες πολλές πρώτες ύλες και κατά πόσο θα επηρεαστούν άλλες καλλιέργειες που προοριζόταν για φαγητό ή και τη διατήρηση των δασών. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στο υδρογόνο, στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του, τους τρόπους παραγωγής, την ασφάλεια κατά την παραγωγή και μεταφορά, καθώς και τους ρύπους που παράγει κατά την καύση του. Το Η2 σίγουρα είναι ένα από τα καύσιμα που μπορούν να περιορίσουν σχεδόν όλους τους ρύπους εάν δεν ληφθεί υπόψη ο τρόπος παραγωγής του και η ενέργεια που καταναλώνεται κατά τη διαδικασία αυτή. Η παραγωγή του γίνεται με διάφορους τρόπους, κυρίως από τα ορυκτά καύσιμα, τη βιομάζα, τις αλκοόλες, το φυσικό αέριο, την πυρηνική ενέργεια, την ηλεκτρόλυση νερού και από άλγη. Όταν χρησιμοποιούνται Ανανεώσιμές Πηγές Ενέργειας για την παρασκευή του, τότε και το παραγόμενο Η2 θεωρείται ΑΠΕ. Η πιο ευρείας χρήσης, μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου, είναι η αναμόρφωση με ατμό κυρίως των ορυκτών ελαίων και σε λιγότερο βαθμό βιοκαυσίμων εκ της οποίας παράγεται το syngas (συνθετικό αέριο) το οποίο αποτελείται από CO και H2. Η ηλεκτρόλυση δεν φαίνεται να χρησιμοποιείται ευρέως, παρά το γεγονός ότι θεωρητικά είναι η απλούστερη μέθοδος και παράγονται οι λιγότεροι ρύποι κατά την παραγωγή του Η2. Οι κυψέλες καυσίμου είναι η τεχνολογία που αποκτά μεγάλο ενδιαφέρον, διότι παράγει ενέργεια με μηδενικούς ρύπους. Ως πρόσθετο καύσιμο με ορυκτά καύσιμα συμβάλει σε μεγάλο ποσοστό στη μείωση των αέριων ρύπων με εξαίρεση τα NOx, τα οποία παρουσιάζουν μια μικρή αύξηση αλλά εύκολα μπορούν να μειωθούν καταλυτικά κατά την έξοδο τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα των τριών καυσίμων των οποίων αναφέρονται στην παρούσα ΜΔ, δηλαδή του βιοντίζελ, του Η2 και των συμβατικών καυσίμων. Το βιοντίζελ ανήκει στις ΑΠΕ, θεωρείται φιλικό προς το περιβάλλον. Η εκπεμπόμενη ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα (CO2) είναι η ίδια που απορροφήθηκε κατά την ανάπτυξη των φυτών παραγωγής της πρώτης ύλης για βιοντίζελ. Δεν είναι δυνατό να αντικαταστήσει τα ορυκτά έλαια εξ ολοκλήρου, είναι δυνατό όμως να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο καύσιμο με σημαντική μείωση σε όλους του ρύπους εκτός των ΝΟx. Το υδρογόνο είναι η καλύτερη και η πιο φιλική στο περιβάλλον λύση για την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων. Η παράγωγη του όμως απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας με αποτέλεσμα να παράγονται μεγάλες ποσότητες ρύπων κατά την παραγωγή, ενώ επιπλέον παρουσιάζει αυξημένο κόστος. Ως πρόσθετο καύσιμο μπορεί να επιφέρει μεγάλη μείωση των ρύπων στην ατμόσφαιρα εκτός των ΝΟx. Τα ορυκτά καύσιμα έχουν το πλεονέκτημα της τεχνολογίας η οποία είναι προσαρμοσμένη σε αυτά, όμως ρυπαίνουν την ατμόσφαιρα, ιδιαίτερα με το CO2 που συμβάλλει τα μέγιστα στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται οι απόψεις και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την παρούσα ΜΔ. Δίνεται μια γενική εικόνα για τα τρία καύσιμα και πως είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν στο παρόν και να βοηθήσουν στο μέλλον. Ως πρόσθετα καύσιμα το βιοντίζελ και το Η2 αναμένεται να επιτύχουν μείωση των ρύπων σε αποδεκτά επίπεδα και θα είναι σε θέση να αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα στο μέλλον. Το καλύτερο καύσιμο για το παρόν είναι το βιοντίζελ ενώ το Η2 φαίνεται να κερδίζει το μέλλον νοουμένου ότι τα προβλήματα παραγωγής του έχουν λυθεί. Όσον αφορά τα ορυκτά έλαια θα εξαντληθούν στο εγγύς μέλλον και η ανθρωπότητα πρέπει να είναι έτοιμη να τα αντικαταστήσει με πιο φιλικά προς το περιβάλλον καύσιμα.