Energy and Exergy Analysis of Agricultural Renewable Oxygenates into Diesel Fuel
Questo studio sperimentale dimostra che l'aggiunta di una miscela di etanolo al 15% e dietiletere al 2,5% al gasolio migliora significativamente le prestazioni di combustione, energia ed esergia di un motore diesel monocilindrico rispetto al gasolio puro e alle altre miscele testate.
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Il motore a combustione interna, in particolare la variante diesel, è da tempo il cavallo di battaglia dell'agricoltura, dell'edilizia e del trasporto pesante. È una macchina costruata sul principio di comprimere l'aria finché non diventa abbastanza calda da incendiare il carburante, un processo che converte l'energia chimica nella forza meccanica necessaria per far girare una ruota o far ruotare un generatore. Sebbene questi motori siano efficienti, non sono perfetti. Una parte significativa dell'energia contenuta nel carburante viene persa sotto forma di calore o sprecata attraverso lo scarico, e il processo di combustione crea inevitabili inefficienze note come irreversibilità. Per rendere questi motori più puliti ed efficienti, i ricercatori guardano spesso a combustibili alternativi, in particolare quelli derivati dalle piante. Questi combustibili rinnovabili, spesso chiamati ossigenati, contengono ossigeno all'interno della loro struttura chimica, il che aiuta il carburante a bruciare in modo più completo. Tuttavia, mescolare semplicemente un carburante a base vegetale con il diesel non è una soluzione semplice; la nuova miscela deve comportarsi correttamente all'interno dei cilindri del motore, altrimenti può causare un calo delle prestazioni.
In uno studio recente, un ricercatore dell'Università di Gümüşhane, in Turchia, si è proposto di testare quanto bene una specifica combinazione di combustibili rinnovabili funzionerebbe in un normale motore diesel agricolo. L'obiettivo era vedere se l'aggiunta di etanolo, un comune alcol derivato dalle colture, e dietiletere, un liquido volatile anch'esso derivato da fonti agricole, potesse migliorare le prestazioni del motore senza causare danni. Lo studio si è concentrato su un motore monocilindrico, il tipo comunemente impiegato in pompe per l'acqua e piccoli generatori utilizzati nelle aziende agricole. Il ricercatore ha testato il puro combustibile diesel insieme a tre diverse miscele: una con il 15% di etanolo e altre due che aggiungevano piccole quantità di dietiletere a quella miscela di etanolo. Facendo funzionare il motore a una velocità costante sotto vari carichi, lo studio ha misurato non solo quanta potenza produceva il motore, ma anche quanta energia veniva sprecata e quanta veniva persa a causa delle leggi della termodinamica.
Gli esperimenti hanno rivelato che l'aggiunta di questi combustibili a base vegetale ha cambiato il modo in cui il motore brucia il carburante. Quando l'etanolo veniva aggiunto da solo, il motore impiegava leggermente più tempo per avviare il processo di combustione perché l'etanolo raffredda l'aria all'interno del cilindro mentre passa dallo stato liquido a quello gassoso. Questo ritardo significava che, una volta che il carburante riusciva finalmente ad accendersi, bruciava molto rapidamente e con un aumento netto della pressione. Tuttavia, quando il dietiletere veniva aggiunto alla miscela, agiva come un contrappeso. Il dietiletere è altamente infiammabile e si accende facilmente, il che aiutava il motore a iniziare il processo di combustione in modo più fluido. Il risultato è stato un evento di combustione più controllato. Lo studio ha scoperto che la miscela contenente il 15% di etanolo e il 2,5% di dietiletere offriva le migliori prestazioni complessive. Questa specifica miscela permetteva al motore di convertire più energia del carburante in lavoro utile, come far ruotare un albero, riducendo al contempo la quantità di energia persa come calore di scarto o attraverso il tubo di scarico.
Oltre a misurare la potenza, il ricercatore ha analizzato l' "exergia" del sistema, un concetto che esamina la qualità dell'energia e quanta di essa sia realmente disponibile per compiere lavoro rispetto a quanta venga distrutta dalle imperfezioni del processo di combustione. I risultati hanno mostrato che le miscele rinnovabili riducevano la quantità di energia distrutta durante la combustione. In termini pratici, ciò significa che il motore operava con meno inefficienze interne. La miscela con il 15% di etanolo e il 2,5% di dietiletere ha migliorato l'efficienza esergica del motore tra il 2,45% e il 3,87% rispetto al diesel standard, a seconda del carico di lavoro del motore. Ha inoltre aumentato un parametro chiamato indice di sostenibilità, che indica quanto bene il motore utilizza le sue risorse di carburante, fino al 6,9%. Questi miglioramenti suggeriscono che il motore operasse più vicino al suo ideale teorico, sprecando meno energia e producendo più potenza dalla stessa quantità di carburante.
Lo studio ha anche esaminato il consumo di carburante e i fattori relativi alle emissioni. Le miscele hanno generalmente portato a una riduzione della quantità di carburante necessaria per produrre una specifica quantità di potenza, un parametro noto come consumo specifico di combustibile al freno. Questo miglioramento è stato attribuito all'ossigeno presente nell'etanolo e nel dietiletere, che ha aiutato il carburante a bruciare in modo più completo. Sebbene il motore abbia subito alcuni cambiamenti nella pressione e nella temperatura del cilindro, le variazioni sono state piccole e non hanno influenzato negativamente il funzionamento del motore. La ricerca ha concluso che, sebbene nessuna singola miscela di carburante sia perfetta per ogni situazione, la combinazione di etanolo e una piccola quantità di dietiletere fornisce una via percorribile verso macchinari agricoli più sostenibili. I risultati suggeriscono che, calibrando attentamente il rapporto di questi additivi rinnovabili, gli agricoltori potrebbero potenzialmente utilizzare motori che siano sia più efficienti che meno dipendenti dai combustibili fossili, il tutto senza richiedere una riprogettazione completa dei macchinari che già possiedono.
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