WiDE: Estendendo a Vida Útil do Diesel em um Mundo em Descarbonização

O transporte responde por aproximadamente um quinto das emissões globais de CO2, sendo o transporte rodoviário sozinho responsável por três quartos dessas emissões.

A maior parte dessas emissões do transporte rodoviário vem de veículos de passageiros, como carros e ônibus, seguidos por caminhões de carga. Enquanto a gasolina é o combustível mais comum para veículos leves, o diesel é o principal combustível para veículos comerciais, como caminhões e ônibus.

Isso porque essa mistura de hidrocarbonetos obtida pela destilação do petróleo bruto tem maior eficiência do motor.

O diesel, na verdade, tem uma eficiência de combustível 25% a 35% melhor do que a gasolina, tornando-o a melhor opção para veículos comerciais. Além de oferecer melhor economia de combustível, os motores a diesel proporcionam melhor aceleração e potencial de reboque e carga, exigem menos manutenção e oferecem maior durabilidade.

Mas, ao mesmo tempo, o diesel é um dos maiores contribuintes para a poluição do ar através de poluentes como fuligem, monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), óxidos de enxofre (SOx), hidrocarbonetos (HCs) e material particulado (PM).

Os motores a diesel também emitem dióxido de carbono (CO2), que, embora não seja diretamente tóxico como outros gases, é um gás de efeito estufa significativo. Dados mostram que o consumo de diesel foi responsável por cerca de 25% das emissões totais de CO2 do setor de transporte dos EUA em 2022.

Para ajudar a reduzir os efeitos negativos do combustível diesel em nossa saúde e no meio ambiente, pesquisadores da Federal University of Technology Owerri (FTO) na Nigéria recorreram à tecnologia de Emulsão Água-em-Diesel (WiDE) e a identificaram como uma estratégia promissora para reduzir a poluição de motores a diesel¹ enquanto mantém, ou até melhora, seu desempenho.

Emissões de Diesel: Por Que Elas Continuam Sendo um Grande Desafio de Poluição

Como uma grande fonte de emissões nocivas, os motores a diesel representam sérios riscos à saúde, como problemas respiratórios e cardiovasculares. Eles também contribuem para problemas ambientais como smog, chuva ácida e aquecimento global.

Para mitigar o impacto ambiental dos motores de ignição por compressão, os motores a diesel modernos usam várias tecnologias de controle de emissões, como Catalisadores de Oxidação a Diesel (DOCs), Redução Catalítica Seletiva (SCR), Recirculação de Gases de Escape (EGR) e Filtros de Partículas Diesel (DPFs).

Embora essas tecnologias possam ajudar a reduzir as emissões, elas não o fazem completamente e, além disso, aumentam o custo e a complexidade dos motores.

Por exemplo, o DOC reduz efetivamente CO e HC, mas tem efeito mínimo nas emissões de partículas e NOx, enquanto o DPF é eficaz para reduzir emissões de partículas, mas não aborda CO ou NOx, que podem ser efetivamente reduzidos pelo EGR de baixo custo, mas pode aumentar ligeiramente as emissões de partículas.

Existem outras alternativas, como o biodiesel, que é derivado de biomassa e tem sido bem-sucedido em reduzir significativamente PM, CO e HC, mas, novamente, pode aumentar as emissões de NOx.

A formação de NOx e PM, como os pesquisadores da FTO observaram em seu estudo, é dependente da temperatura e exibe uma relação inversa, o que significa que reduzir um muitas vezes aumenta o outro.

Uma solução para esse problema é introduzir água na câmara de combustão, o que reduz substancialmente as emissões de NOx e PM. Existem algumas maneiras diferentes de introduzir água em motores a diesel. Isso inclui Fumigação de Água no Coletor de Admissão (FWIM) e Injeção Direta de Água (DWI), que reduzem as emissões de NOx e PM, mas podem aumentar as emissões de HC e CO.

Há ainda outra maneira fácil, mas eficaz, de reduzir a poluição do motor a diesel, e essa é a Emulsão Água-em-Diesel (WiDE).

WiDE: Estendendo a Vida Útil do Diesel em um Mundo em Descarbonização

Misturar água ao diesel, facilitada por surfactantes, mostra efeitos positivos na redução de emissões, desempenho do motor e eficiência de combustão. Essa técnica pode realmente reduzir as emissões de fuligem e NOx em mais de 60%, mantendo o desempenho forte ou até melhorando a eficiência do motor em alguns casos.

Essa opção mais limpa, que reduz a temperatura de combustão, diminui a duração da combustão em alta temperatura, aumenta o momento do jato e melhora a economia de combustível, funciona em motores a diesel existentes sem modificação.

Tecnologia WiDE: Como a Água-em-Diesel Reduz Emissões e Melhora o Desempenho

Quando misturados diretamente, o diesel tende a flutuar no topo porque é mais leve que a água. Um combustível emulsionado, no entanto, é uma mistura de dois líquidos imiscíveis que não podem se misturar completamente, com uma substância distribuída pela outra. Assim, a emulsão é criada usando técnicas de alta energia com a ajuda de surfactantes.

Para o motor a diesel operar com combustível emulsionado, o tempo de estabilidade da WiDE é crítico, pois o declínio da estabilidade da emulsão enquanto o motor está funcionando impactará negativamente o sistema de combustão e fará com que o motor falhe prematuramente.

Produtos químicos especiais chamados surfactantes desempenham um papel essencial em manter o diesel e a água misturados uniformemente. Eles criam emulsões estáveis reduzindo a tensão superficial entre os dois, efetivamente ligando-os.

Assim, na tecnologia WiDE, gotículas de água muito pequenas são misturadas ao combustível diesel, e surfactantes são adicionados para mantê-las uniformemente misturadas, permitindo que a emulsão permaneça estável por até 60 dias. Quando essa combinação queima dentro do motor, as gotículas de água vaporizam rapidamente, desencadeando um fenômeno conhecido como “microexplosão” que quebra o combustível em partículas mais finas.

Isso melhora a mistura de ar e combustível durante a combustão, diminuindo as temperaturas máximas de combustão e reduzindo a formação de óxidos de nitrogênio. A combustão completa também reduz as emissões de fuligem e PM.

Dado o potencial dessa técnica simples para reduzir significativamente a poluição do motor a diesel, sem exigir redesenho do motor, pesquisadores da FUTO analisaram mais profundamente a tecnologia e sua promessa como um caminho rápido para um uso mais limpo do diesel, analisando estudos de todo o mundo.

De acordo com estudos revisados na análise WiDE, operar motores a diesel com WiDE pode reduzir drasticamente as emissões nocivas. Notavelmente, as emissões de NOx diminuíram 67% e o PM caiu 68% em comparação com o combustível diesel padrão, “posicionando-o como um combustível alternativo mais limpo para motores a diesel”.

Além das vantagens ambientais, vários experimentos também relataram benefícios de desempenho. Isso inclui melhorias na eficiência térmica do freio (BTE), que mede a eficácia de um sistema em converter combustível em trabalho útil. Além disso, estudos sobre outras características de desempenho do motor, como potência de freio, BSFC e torque, também mostram resultados promissores com WiDE.

Portanto, os motores WiDE não apenas produzem escapamento mais limpo, mas também utilizam o combustível de forma mais eficiente.

“As emulsões água-em-diesel são uma maneira prática e econômica de tornar os motores a diesel mais limpos”, disse o autor principal, Dr. Chukwuemeka Fortunatus Nnadozie. “Como a tecnologia não requer redesenhar o motor, ela oferece um caminho imediato para emissões mais baixas tanto em países em desenvolvimento quanto desenvolvidos.”

Enquanto isso, uma análise da importância dos surfactantes revelou que escolher o surfactante certo e sua concentração é fundamental para a estabilidade da emulsão, o que afeta tanto o desempenho quanto a segurança do combustível.

Os pesquisadores descobriram que múltiplos surfactantes fornecem os melhores resultados, melhorando tanto a estabilidade da mistura de combustível quanto a qualidade da combustão dentro do motor.

Apesar dos resultados encorajadores, os pesquisadores destacaram a necessidade de trabalho adicional, focando no refinamento de combinações de surfactantes e na avaliação dos efeitos de longo prazo da emulsão nos componentes do motor.

Mais importante, a WiDE pode oferecer uma maneira prática de reduzir a poluição de motores atualmente em operação e contribuir para outras tecnologias limpas, em vez de substituir soluções mais limpas de longo prazo. Combinar essa abordagem de combustível com biodiesel e sistemas avançados de controle de emissões, de acordo com a equipe, pode ajudar a apoiar objetivos climáticos e de qualidade do ar mais amplos.

“Esta tecnologia pode preencher a lacuna entre o uso convencional de diesel e um futuro de energia mais limpa”, disse o coautor, Professor Emeka Emmanuel Oguzie. “Com formulação e testes adequados, ela pode se tornar uma parte importante dos sistemas de transporte sustentável e de energia industrial.”

Alternativas ao Diesel: Combustíveis de Baixa Emissão e Soluções de Transporte Limpo

A tecnologia WiDE é apenas uma das muitas maneiras pelas quais o setor de transporte pode abordar as limitações do diesel. A busca por alternativas mais limpas levou a uma variedade de combustíveis e tecnologias de propulsão que podem ajudar a indústria a alcançar a descarbonização de longo prazo. Um caminho promissor para reduzir emissões é o biodiesel e o diesel renovável, que são derivados de biomassa.

O biodiesel é produzido por transesterificação de óleos vegetais como óleo de soja, óleo de girassol, óleo de colza e óleo de palma, gorduras animais de frigoríficos e óleo de cozinha reciclado de restaurantes. As algas são mais uma fonte promissora de matéria-prima de biomassa.

O diesel renovável é semelhante ao biodiesel, mas é um hidrocarboneto quimicamente equivalente ao diesel de petróleo.

O hidrogênio é mais uma solução para limitar as emissões de gases de efeito estufa de veículos automotores através de motores de combustão interna a hidrogênio (H2ICE) e células de combustível a hidrogênio (FCEVs). Ambos podem alimentar veículos usando o combustível de carbono zero.

Quando se trata de H2-ICE, os motores de combustão interna regulares usam hidrogênio em vez de diesel ou gasolina.

Os FCEVs geram eletricidade a partir do hidrogênio usando um dispositivo chamado célula de combustível, onde o hidrogênio é combinado com oxigênio para produzir eletricidade que alimenta o motor elétrico, muito parecido com um veículo elétrico.

Enquanto os motores de combustão interna são mais eficientes sob alta carga, tornando o H2-ICE a escolha mais adequada para caminhões pesados, os FCEVs são mais eficientes em cargas mais baixas, tornando-os ideais para caminhões de reboque ou betoneiras.

Tanto H2-ICE quanto FCEVs têm perfis de emissão semelhantes, mas enquanto o primeiro pode produzir NOx e traços de CO2, o último produz apenas vapor de água.

Como resultado, várias montadoras estão perseguindo ativamente planos de FCEV, incluindo BMW Group, Toyota e Hyundai Motor. Recentemente, a Alpine também revelou seu supercarro conceito movido a hidrogênio, o Alpine Alpenglow, que produz 740 bhp a 7.600 rpm, atinge uma linha vermelha de 9.000 rpm e chega a 205 mph.

Mas, como compartilhado recentemente, o hidrogênio vem com seus próprios custos e obstáculos de infraestrutura que precisam ser enfrentados com apoio político, investimentos e parcerias público-privadas para impulsionar a adoção.

Depois, há os combustíveis sintéticos, ou e-fuels, produzidos usando carbono capturado e hidrogênio verde. Este combustível alternativo é criado por meio de processamento químico. A maioria dos combustíveis sintéticos tem sido produzida tratando fontes de combustível fóssil existentes, como converter gás natural em óleos combustíveis, liquefazer carvão e transformá-lo em diesel e gasolina, e, ultimamente, converter madeira ou resíduos animais em óleos combustíveis.

Essas opções, no entanto, fazem uso de carbono sólido ou sequestrado, o que significa que liberam CO2 na atmosfera. Os e-fuels eliminam esse problema, removendo a dependência de combustíveis fósseis e permitindo a descarbonização de setores intensivos em energia.

Esses combustíveis são feitos extraindo CO2 da atmosfera, e se as emissões liberadas durante a combustão forem equivalentes ao CO2 usado para produzi-los, então esse método é considerado neutro em carbono.

Para sintetizar e-fuel, o CO2 é obtido por meio de captura direta do ar