WiDE: Forlængelse af diesels levetid i en verden i decarbonisering

Transport står for omkring en femtedel af de globale CO2-udledninger, hvor vejtransport alene er ansvarlig for tre fjerdedele af disse udledninger.

Størstedelen af disse vejtransport-udledninger kommer fra personbefordring såsom biler og busser, efterfulgt af godsvogne. Mens benzin er det mest almindelige brændstof til lette køretøjer, er diesel det primære brændstof til kommercielle køretøjer såsom lastbiler og busser.

Det er fordi denne blanding af kulbrinter, der opnås ved destillation af råolie, har højere motoreffektivitet.

Diesel har faktisk en 25% til 35% bedre brændstofeffektivitet end benzin, hvilket gør det til det bedste valg for kommercielle køretøjer. Udover at tilbyde bedre brændstoføkonomi, leverer dieselmotorer bedre acceleration og træk- og fragtepotentiale, kræver mindre vedligeholdelse og tilbyder større holdbarhed.

Men samtidig er diesel en af de største bidragsydere til luftforurening gennem forurenende stoffer som sod, kulilte (CO), nitrogenoxider (NOx), svovloxider (SOx), kulbrinter (HC) og partikler (PM).

Dieselmotorer udleder også kuldioxid (CO2), som, selvom den ikke er direkte giftig som andre gasser, er en betydelig drivhusgas. Data viser, at dieselbrændstofforbrug udgjorde omkring 25% af den samlede amerikanske transportsektors CO2-udledninger i 2022.

For at hjælpe med at reducere de negative effekter af dieselbrændstof på vores sundhed og miljøet, vendte forskere fra Federal University of Technology Owerri (FTO) i Nigeria sig til Water-in-Diesel Emulsion (WiDE) teknologi og identificerede den som en lovende strategi for at reducere forurening fra dieselmotorer¹ samtidig med at opretholde eller endda forbedre deres ydeevne.

Dieseludledninger: Hvorfor de forbliver en stor forureningsudfordring

Som en større kilde til skadelige udledninger udgør dieselmotorer alvorlige sundhedsrisici, såsom vejrtrækningsproblemer og hjerte-kar-problemer. De bidrager også til miljøproblemer som smog, sur nedbør og global opvarmning.

For at mindske miljøpåvirkningen af kompressionsantændelsesmotorer bruger moderne dieselmotorer forskellige emissionskontrollteknologier, såsom Diesel Oxidation Catalysts (DOCs), Selective Catalytic Reduction (SCR), Exhaust Gas Recirculation (EGR) og Diesel Particulate Filters (DPFs).

Mens disse teknologier kan hjælpe med at reducere udledninger, gør de det ikke helt, og oven i det øger de omkostningerne og kompleksiteten af motorer.

For eksempel reducerer DOC effektivt CO og HC, men har minimal effekt på partikel- og NOx-udledninger, mens DPF er effektiv til at reducere partikeludledninger, men ikke adresserer CO eller NOx, som kan reduceres effektivt af den omkostningseffektive EGR, men den kan let øge partikeludledningerne.

Der er andre alternativer, såsom biodiesel, som stammer fra biomasse og har været succesfuld med at reducere PM, CO og HC betydeligt, men igen kan det øge NOx-udledningerne.

NOx- og PM-dannelse, som FTO-forskere bemærkede i deres undersøgelse, er temperatur-afhængige og udviser et omvendt forhold, hvilket betyder at reduktion af den ene ofte øger den anden.

En løsning på dette problem er at introducere vand i forbrændingskammeret, hvilket reducerer både NOx- og PM-udledninger væsentligt. Nu er der et par forskellige måder at introducere vand i dieselmotorer på. Dette inkluderer Fumigating Water into the Inlet Manifold (FWIM) og direct Water Injection (DWI), som reducerer NOx- og PM-udledninger, men kan øge HC- og CO-udledningerne.

Der er endnu en nem, men effektiv måde at reducere dieselmotorforurening på, og det er Water-in-Diesel Emulsion (WiDE).

WiDE: Forlængelse af diesels levetid i en verden i decarbonisering

At blande vand i diesel, faciliteret af overfladeaktive stoffer, viser positive effekter på emissionsreduktion, motorydeevne og forbrændingseffektivitet. Denne teknik kan faktisk skære sod- og NOx-udledninger med over 60% samtidig med at holde ydeevnen stærk, eller endda forbedre motoreffektiviteten nogle gange.

Dette renere valg, som sænker forbrændingstemperaturen, reducerer højtemperatur-forbrændingens varighed, øjer strålemomentet og forbedrer brændstoføkonomien, virker i eksisterende dieselmotorer uden modifikation.

WiDE-teknologi: Hvordan Water-in-Diesel reducerer udledninger og forbedrer ydeevne

Når det blandes direkte, har diesel en tendens til at flyde ovenpå, fordi det er lettere end vand. En emulsionsbrændstof er derimod en blanding af to ikke-blandbare væsker, der ikke kan blandes fuldstændigt, hvor det ene stof er fordelt i det andet. Så emulsionen skabes ved hjælp af højenergi-teknikker med hjælp fra overfladeaktive stoffer.

For at dieselmotoren skal kunne køre på emulsionsbrændstof, er WiDE-stabilitetstid afgørende, da faldende emulsionsstabilitet mens motoren kører vil påvirke forbrændingssystemet negativt og få motoren til at svigte for tidligt.

Specielle kemikalier kaldet overfladeaktive stoffer spiller en afgørende rolle i at holde diesel og vand jævnt blandet. De skaber stabile emulsioner ved at reducere overfladespændingen mellem de to og binder dem effektivt sammen.

Så i WiDE-teknologi blandes meget små vanddråber ind i dieselbrændstof, og overfladeaktive stoffer tilføjes for at holde dem jævnt blandet, hvilket tillader emulsionen at forblive stabil i op til 60 dage. Når denne kombination brænder inde i motoren, fordamper vanddråberne hurtigt og udløser et fænomen kendt som en “mikroeksplosion”, der bryder brændstoffet til finere partikler.

Dette forbedrer blanding af luft og brændstof under forbrændingen, sænker toppunktet for forbrændingstemperaturer og reducerer dannelsen af nitrogenoxider. Den komplette forbrænding reducerer også sod- og PM-udledninger.

I betragtning af potentialet for denne simple teknik til at reducere dieselmotorforurening betydeligt, uden at kræve motorredesign, tog forskere på FUTO et dybere kig på teknologien og dens løfte som en hurtig vej til renere dieselbrug ved at analysere undersøgelser fra hele verden.

Ifølge undersøgelser gennemgået i WiDE-analysen kan kørsel med dieselmotorer på WiDE drastisk reducere skadelige udledninger. Bemærkelsesværdigt faldt NOx-udledningerne med 67% og PM faldt med 68% sammenlignet med standard dieselbrændstof, hvilket “positionerer det som et renere alternativt brændstof til dieselmotorer.”

Udover miljømæssige fordele rapporterede flere eksperimenter også ydelsesfordele. Dette inkluderer forbedringer i bremsetermisk effektivitet (BTE), som måler et systems effektivitet i at omdanne brændstof til nyttigt arbejdsoutput. Desuden viser undersøgelser af andre motorydeevnekarakteristika, såsom bremseeffekt, BSFC og drejningsmoment, også lovende resultater med WiDE.

Så ikke alene producerer WiDE-motorer renere udstødning, de udnytter også brændstof mere effektivt.

“Water-in-diesel emulsioner er en praktisk og omkostningseffektiv måde at gøre dieselmotorer renere på,” sagde hovedforfatter Dr. Chukwuemeka Fortunatus Nnadozie. “Fordi teknologien ikke kræver redesign af motoren, tilbyder den en umiddelbar vej mod lavere udledninger i både udviklingslande og udviklede lande.”

Imens afslørede et kig på betydningen af overfladeaktive stoffer, at valg af det rigtige overfladeaktive stof og dets koncentration er nøglen til emulsionsstabilitet, som påvirker både brændstoffets ydeevne og sikkerhed.

Forskerne fandt, at flere overfladeaktive stoffer giver de bedste resultater, idet de forbedrer både stabiliteten af brændstofblandingen og kvaliteten af forbrændingen inde i motoren.

På trods af de opmuntrende resultater fremhævede forskerne behovet for yderligere arbejde, med fokus på at forfine kombinationer af overfladeaktive stoffer og vurdere emulsionens langsigtede effekter på motor komponenter.

Vigtigere er, at WiDE kan tilbyde en praktisk måde at reducere forurening fra i øjeblikket operative motorer og bidrage til andre rene teknologier snarere end at erstatte renere, langsigtede løsninger. At kombinere denne brændstoftilgang med biodiesel og avancerede emissionskontrollsystemer kan ifølge teamet hjælpe med at støtte bredere klima- og luftkvalitetsmål.

“Denne teknologi kan bygge bro mellem konventionelt dieselbrug og en renere energifremtid,” sagde medforfatter Professor Emeka Emmanuel Oguzie. “Med korrekt formulering og testning kunne det blive en vigtig del af bæredygtig transport og industrielle kraftsystemer.”

Alternativer til diesel: Lavemissionsbrændstoffer og rene transportløsninger

WiDE-teknologi er blot en af de mange måder, transportsektoren kan adressere diesels begrænsninger på. Søgningen efter renere alternativer har ført til en række brændstoffer og fremdriftsteknologier, der kan hjælpe industrien med at opnå langsigtet decarbonisering. En lovende vej til at reducere udledninger er biodiesel og vedvarende diesel, som stammer fra biomasse.

Biodiesel produceres ved transesterificering af vegetabilske olier som sojabønneolie, solsikkeolie, rapsolie og palmeolie, animalske fedtstoffer fra slagterier og genbrugt madlavningsolie fra restauranter. Alger er endnu en lovende kilde til biomasse råmateriale.

Vedvarende diesel ligner biodiesel, men er en kulbrinte kemisk ækvivalent til petroleumsdiesel.

Brint er endnu en løsning til at begrænse drivhusgasudledninger fra motorkøretøjer gennem brintforbrændingsmotorer (H2ICE) og brintbrændselsceller (FCEVs). Begge kan drive køretøjer ved hjælp af det nul-kulstof brændstof.

Når det kommer til H2-ICE, bruger de almindelige forbrændingsmotorer brint i stedet for diesel eller benzin.

FCEV’er genererer elektricitet fra brint ved hjælp af en enhed kaldet en brændselscelle, hvor brint kombineres med ilt for at producere elektricitet, der driver den elektriske motor, meget som en elbil.

Mens forbrændingsmotorer er mest effektive under høj belastning, hvilket gør H2-ICE til det mest passende valg for tunge lastbiler, er FCEV’er mere effektive ved lavere belastninger, hvilket gør dem ideelle til trækkere eller betonblandere.

Både H2-ICE og FCEV’er har lignende emissionsprofiler, men mens den førstnæ