Scăpaţi de energia otrăvită a ruşilor!

Combustibilii fără impact cu mediul sunt soluţia viitorului pentru maşinile termice cu utilizări terestre, aeriene şi navale, pentru încălzire şi pentru industrie.

Combustibilii regenerabili şi cei sintetici cuceresc, la ora actuală, cele mai faimoase, dar şi cele mai puternice motoare cu ardere din lume, pe uscat, pe apă şi în aer. Motorina, gazul presurizat sau lichefiat, benzina şi kerosenul sunt pe ducă. Energia electrică rămâne o aplicaţie pentru automobilele de oraş, pe lângă utilizările clasice, de la lumină şi maşina de spălat, până la computer şi telefon.

Automobilul electric este „curat” doar la prima vedere: acesta nu emite nimic în timpul mersului, problema fiind însă că două treimi din curentul produs pe mapamond provin din cărbune, petrol şi gaz metan. Pe de altă parte, energia electrică constituie deocamdată doar o cincime din energia primară consumată în lume. Bine că până acum, la nivel mondial, nu există decât 11 milioane de automobile electrice (2020) faţă de 1,1 miliarde de automobile aflate în total în circulaţie, adică mai puţin de 1%!

Energia primară a lumii este asigurată în proporţie de 83% de combustibili fosili (vezi articolul Planeta arde şi Europa se piaptănă), aşadar o creştere a numărului de automobile electrice ar putea implica o proporţie sporită de combustibili fosili în producţia de curent.

Instalaţiile fotovoltaice din lume, luate împreună, generează doar 3% din energia electrică obţinută pe baza cărbunelui şi a gazelor naturale, iar cele eoliene de pe toată planeta doar 7%! 

Curentul pentru „curatele” automobile electrice care circulă prin lume provine în cea mai mare parte din arderea de cărbune şi gaz.

Hidrogenul, utilizat fie în pile de combustie, fie în motoare cu piston ar părea mai avantajos, deoarece produsul de reacţie este în ambele cazuri apă.

Din păcate, producţia anuală mondială a celor 500 de miliarde de metri cubi de hidrogen se bazează în cea mai mare parte pe gaz metan (38%), păcură (24%), benzină (18%), etilenă (6,6%) şi cărbune (10%), electroliza având, deocamdată, o participare neînsemnată (2%). Dar până şi electroliza are nevoie, la rândul ei, de curent, şi iar ajungem la cărbune şi gaz.

Aici intervine însă un avantaj major al hidrogenului, care deschide perspective neaşteptate instalaţiilor fotovoltaice şi eoliene din toată lumea. În general, nici instalaţiile fotovoltaice, nici cele eoliene nu produc energie la parametrii maximi calculaţi în termeni de putere instalată. Explicaţia e simplă: soarele străluceşte doar 7-8 ore pe zi, atunci când cerul nu e înnorat. Vântul bate, sau nu bate: în anumite regiuni ale lumii bate tot timpul, în altele de loc. Ca urmare a acestor condiţii, la nivel global, instalaţiile fotovoltaice au un randament mediu de aproximativ 14%, iar instalaţiile eoliene de circa 17%, acestea din urmă putând însă atinge, local, în condiţii foarte favorabile, până la 57% (detalii în cartea: Stan, C. „Energy versus carbon Dioxide”, Ediţie în limba engleză, Springer Nature Book, 2022). Aşadar, în loc să „însămânţăm” aceste instalaţii în mod uniform, ca grâul pe câmp, le putem distribui neuniform, decentralizat: parcuri solare acolo unde soarele arde mai mult decât oriunde, preferabil în Sahara, Egipt, Nevada, India sau în Australia, şi parcuri eoliene onshore sau offshore acolo unde vântul suflă fără pauză, de exemplu în Patagonia sau în vestul Australiei, în zona Barrow Island.

Şi aici intervine avantajul hidrogenului: energia electrică obţinută din acele instalaţii nu poate fi trimisă prin cabluri spre Europa şi America, dar nici nu poate fi înmagazinată în baterii gigantice. Ea poate fi însă folosită în instalaţii de electroliză a apei ad-hoc, hidrogenul obţinut putând fi stocat, iar mai apoi transportat, fie în stare gazoasă la presiuni de 700 până la 900 de bari, fie în stare lichidă, la minus 253°C, în rezervoare criogene. Utilizatorii acestui hidrogen „verde” şi-au făcut apariţia foarte rapid. Pe de o parte el este utilizat în pilele de combustie, în automobile, actualmente de către Toyota şi Hyundai (iniţial şi de Mercedes) sau în autobuze şi camioane de către Daimler. Volvo, Toyota, Iveco şi Hyundai.  Pe de altă parte, hidrogenul a început să fie utilizat din ce în ce mai mult în motoarele cu ardere internă pentru camioane de mare tonaj (MAN) şi pentru vapoare (BeHydro). Mai nou şi-au făcut intrarea pe piaţa hidrogenului şi marii constructori de motoare cu piston folosibile în instalaţii staţionare sau în vehicule de toate categoriile: MAN şi Deutz. 

Bineînţeles, de aici apare întrebarea: care sunt avantajele şi dezavantajele utilizării hidrogenului în motoare cu ardere, faţă de reacţia chimică „la rece” în pilele de combustie. Comparaţia este făcută cu argumentele de rigoare într-o carte ştiinţifică actuală (Stan, C.: „Alternative Antriebe für Automobile” ediţia a cincea, Springer Nature, 2021 / „ Alternative Propulsion for Automobiles, Springer Internaţional Publishing, 2017)

Metanolul şi etanolul sunt obţinute din două grupe de materii prime: amidon şi zahăr, care provin din plante sau din reziduuri vegetale. În Brazilia, pentru obţinerea etanolului este utilizată trestia de zahăr, în Statele Unite ale Americii porumbul, în Europa  sfecla de zahăr şi, parţial, grâul, în Asia maniocul. Noi surse de materie primă pentru producerea etanolului o constituie, la nivel global, algele şi celuloza obţinută din industria hârtiei şi a prelucrării lemnului, dar şi deşeurile vegetale. După o lungă perioadă de experienţe pozitive cu maşini adaptate etanolului, urmată de un „recul” cu cauze economice, în 2003 în Brazilia a fost introdusă pe piaţă o maşină cu motor „flex fuel” (VW Gol 1.6 Total Flex)  adaptată amestecurilor variabile (0-100%) de benzină şi etanol. Şapte ani mai târziu, mărcile Chevrolet, Fiat, Ford, Peugeot, Renault, Volkswagen, Honda, Mitsubishi, Toyota, Citroen, Nissan şi Kia au intrat pe piaţa braziliană cu maşini flex fuel, care au ajuns la un record de 94% din totalul noilor înmatriculări!

În prezent în Brazilia există aproape 30 de milioane de vehicule „flex fuel”. Brazilia are, pe de altă parte, 355 de milioane de hectare de teren arabil, din care 72 de milioane de hectare cultivate până acum. Trestia de zahăr este plantată doar pe 2% din terenul arabil, producţia de etanol reclamând circa o jumătate din acesta. Oamenii de ştiinţă brazilieni susţin că producţia de trestie de zahăr poate creşte de 30 de ori fără a afecta mediul şi fără a pune în pericol producţia de alimente. Productivitatea este de până la 8.000 de litri de etanol la hectar, la un preţ de 22 de cenţi SUA / litru. Raportul între energia consumată pentru creşterea plantelor/obţinerea etanolului şi energia utilizată efectiv în automobil este de 1:10.  99,7% din plantaţiile de trestie de zahăr braziliene sunt situate pe câmpii din regiunea de sud-est a metropolei Sao Paolo, adică la cel puţin 2.000 de kilometri de pădurea tropicală amazoniană, unde clima nu ar fi prielnică pentru cultivarea trestiei de zahăr.  

În SUA, etanolul este produs în principal din cereale şi porumb, pe 10 milioane de hectare, adică pe 3,7% din terenul arabil, productivitatea fiind de până la 4000 de litri de etanol la hectar adică jumătate în comparaţie cu producţia din trestie de zahăr în Brazilia. Balanţa energetică este de numai 1:1,3 până la 1:1,6 (Brazilia 1:10) Preţul de bază este de 35 cenţi/litru. 

Ford, Chrysler şi GM construiesc motoare „flex fuel” pentru întreaga lor gamă de vehicule – de la limuzine şi SUV-uri la vehicule off-road. În prezent, în SUA circulă mai mult de 10 milioane de vehicule „flex fuel”.

Orice motor cu aprindere prin scânteie poate fi trecut de la arderea de benzină la cea de etanol sau metanol sau de amestecuri variabile din toate cele 3 componente. Rezultatele multor ani de cercetare atât în propriul institut, cât şi în multe centre din Germania şi SUA, cu aplicaţii la diverse motoare mari şi mici sunt foarte promiţătoare. Va ofer o sinteză extrem de scurtă : Cuplul motor creşte cu 10-15%, rezultat confirmat de Porsche şi BMW prin propriile cercetări în ultimii 40 de ani. În toate aplicaţiile, emisiile nocive scad puternic. Doar consumul de metanol creşte de aproximativ 2,2 ori, cel de etanol de 1,6 ori. Toate aceste valori sunt absolut explicabile : benzina nu conţine în structura ei decât carbon şi hidrogen. În etanol există însă şi o proporţie de oxigen, în metanol aceasta fiind chiar mai mare, Aşadar, metanolul şi etanolul nu mai au nevoie de aceeaşi cantitate de aer pentru ardere ca benzina. Doar că aerul este deja în cilindrii motorului, aşa că în loc să reducem cantitatea de aer pentru o cantitate de etanol egală cu cea a benzinei, mai bine lăsăm tot aerul şi injectăm mai mult etanol. Aşadar, sporirea consumului nu înseamnă scăderea randamentului termic, ci este pur şi simplu determinată de proporţiile din reacţia chimică. Pe de altă parte, cu oxigen propriu în structura unui alcool, arderea este mai rapidă, ceea ce justifică creşterea cuplului motor chiar cu aceeaşi cantitate de aer în cilindri ca în cazul injecţiei de benzină. Ca urmare, trecerea de la funcţionarea unui motor pe benzină la funcţionarea cu etanol sau cu metanol este, în genere simplă: tarăm sistemul de injecţie pentru o doză mai mare de combustibil şi adaptăm unghiul la care se produce scânteia în bujie. La anumite motoare mai trebuiesc schimbate tuburile de plastic sau garniturile, dar problema e marginală, motoarele de serii moderne neavând neajunsuri de acest fel.   

Combustibilii sintetici - Synfuel, Sunfuel, Designer Fuel sau, mai nou, eFuel (Electric-Fuel, pentru că este obţinut cu ajutorul energiei electrice, din apă şi dioxid de carbon) devin din ce în ce mai mult expresia unei noi tendinţe în cercetarea şi dezvoltarea combustibililor a căror structură moleculară poate fi „construită” în mod specific.

Criteriile esenţiale pentru crearea unui combustibil sintetic sunt următoarele:

-       Folosirea resurselor regenerabile, inepuizabile în natură, cum ar fi soarele, vântul, resturile vegetale şi alte deşeuri reciclabile din agricultură, din industria lemnului sau din industria chimică. deşeurile din lemn, plante, alimente sau din industria de prelucrare corespunzătoare – printr-o logistică eficientă de reciclare.

-       Folosirea dioxidului de carbon din aer, sau a celui produs în mari cantităţi de furnale, centrale termice şi electrice, fabrici şi uzine.

-       Fabricarea cu un minim de energie, respectiv cu energie electrică de la instalaţii eoliene şi fotovoltaice amplasate în regiuni prielnice, unde consumul de energie solară sau eoliană, disponibilă la infinit, nu joacă un rol primordial – mai multă energie însemnând în acest caz doar mai mult timp de captare.  

-       Adaptarea combustibilului respectiv la cerinţele procesului de ardere dintr-un anume motor sau a unei reacţii chimice dintr-o anume categorie de pilă de combustie.

-       Impact ecologic zero.

Dintre toţi combustibilii nesintetici enumeraţi până în prezent,  etanolul, metanolul, dar şi eterul dimetilic obţinut din resturi lemnoase îndeplinesc cel mai bine majoritatea acestor criterii. Reciclarea dioxidului de carbon emis, datorită fotosintezei naturale, fără a utiliza instalaţii chimice complexe, constituie un deosebit avantaj al etanolului şi metanolului.  

Combustibilii sintetici corespunzători criteriilor de mai sus sunt generaţi în prezent, în principal, prin sinteza dioxidului de carbon şi a hidrogenului, produsul intermediar fiind metanolul. Produşii finali aparţin categoriei de eteri OME (polyoxymethylene dimethyl ethers) cu lungimi diferite ale catenei moleculare: OME1, OME2, OME3, OME4, OME5, OME6.

Ca şi în cazul etanolului, metanolului sau al eterului dimetilic, în comparaţie cu hidrocarburile, cum ar fi benzina şi motorina, atomii de oxigen în molecula unei variante OME determină reducerea necesarului de aer pentru reacţia de ardere. Cu aceeaşi cantitate de aer în cilindrii unui motor „consumul” unui asemenea combustibil creşte cu proporţia de oxigen pe care o conţine. Acest „consum” nu are însă nimic de a face cu randamentul motorului, ci doar cu proporţiile componentelor din reacţia chimică în timpul arderii. Pe de altă parte, cuplul unui motor alimentat cu un asemenea combustibil creşte, din motivele expuse anterior. 

Porsche este un pionier de talie mondială al aplicării „combustibililor electrici (eFuels).

Dar, înainte de a face din curent combustibil, Porsche a arătat lumii cum poate utiliza curentul direct pentru propulsie, folosind motoare electrice. Noul Porsche Taycan are un motor electric pe puntea din faţă şi unul pe puntea din spate, puterea acestora însumând 560 kW, adică 761 de cai putere. Cuplul este de 1050 de Newton-metri, catapultând vehiculul din start până la o viteză de 100 de kilometri la ora în numai 2,8 secunde. Pentru o încărcare rapidă a bateriei, cu 270 kW până la 350 kW, sistemul electric lucrează la o tensiune de 800 V, o valoare nerealizată încă de nimeni în lume. Doar aşa a fost posibilă „scăderea” curentului de alimentare sub 700 de Amperi(!). Despre profilurile şi tipurile de cabluri pentru asemenea valori ale curentului s-ar putea scrie un articol întreg. Porsche a arătat prin aceste valori fenomenale lumii întregi care pot fi performanţele unei maşini electrice, dacă acestea ar putea fi suportate de capacitatea bateriei şi de „curăţenia” curentului folosit. Dar Porsche a făcut un pas mai departe: 70% din maşinile produse de la înfiinţarea companiei, în anul 1931, mai sunt încă în circulaţie pe tot globul, majoritatea acestora fiind în stare perfectă. Cine ar da un asemenea automobil la fiare vechi? Compania Porsche vrea să asigure în continuare existenţa acestor maşini cu motoare cu piston, dar cu combustibili fără impact cu mediul. Asemenea combustibili sunt prevăzuţi însă şi pentru viitoarele modele ale companiei, a căror majoritate va folosi şi în viitorul apropiat şi îndepărtat motoare termice deosebit de performanţe şi eficiente. 

Porsche, împreună cu Siemens Energy, ExxonMobil şi alţi parteneri cu nume răsunătoare au iniţiat de foarte curând fabricarea de „combustibili electrici”  (eFuels) în Patagonia, Chile, într-un proiect cu numele „Haru Oni”, care în limba băştinaşilor înseamnă „Vânt puternic”. Acest vânt puternic suflă mai eficient decât oriunde pe lume în palele unei instalaţii eoliene care produce curent, folosit apoi într-un nou sistem de electroliză „Silyzer”, dezvoltat de Siemens, în care reacţiile electrolitice au la bază un schimb de protoni prin membrane polimerice, asemănătoare celor folosite pentru reacţia „inversată” în pilele de combustie. Din sinteza hidrogenului obţinut astfel cu dioxidul de carbon captat, în acest caz, nu dintr-un furnal, ci din aerul înconjurător, se obţine metanol. Acesta poate fi folosit în motoare ca atare, după cum am menţionat mai sus, sau poate fi transformat într-un combustibil de tip OME, care poate fi utilizat şi în motoarele automobilelor mai vechi. Avantajul major al folosirii metanolului sau a unui eFuel în loc de hidrogen este posibilitatea transportului şi a stocării la bordul autovehiculului la presiune şi temperatură ambientală. 

Producţia metanolului şi a combustibililor OME în Chile, în parteneriat Porsche-Siemens & Co. a început în anul 2022 cu 130.000 de litri pe an şi va ajunge în numai patru ani la 550 de milioane de litri!

Utilizarea metanolului şi a combustibililor de tip eFuel nu se opreşte însă la astfel de aplicaţii automobilistice de anvergură relativ moderată.

Giganticele motoare de nave oceanice utilizează, mai nou, combustibili din aceeaşi categorie. Un prim exemplu îl constituie motoarele în patru timpi Wärtsilä, adaptate pe baza motoarelor Diesel cu injecţie directă de combustibil care echipau până acum respectivele nave. Compania B&W/MAN a dezvoltat, de asemenea, motoare cu injecţie directă de metanol pentru utilizarea pe nave, cu observaţia că acestea sunt motoare în doi timpi, care au avantaje faţă de motoarele în patru timpi în ceea ce priveşte greutatea şi gabaritul.

Atât la motoarele în patru timpi de la Wärtsilä, cât şi motoarele în doi timpi de la B&W/MAN este aplicat un proces de ardere fundamental diferit de cel al aprinderii clasice prin compresie (Diesel). Prin injecţia directă a unei mici cantităţi de motorină, în camera de ardere sunt create nenumărate focare de aprindere, peste care este injectată apoi cantitatea principală de metanol, care, în prezenţa aerului, se aprinde şi arde rapid, simultan în toate centrele „activate”. Astfel se reduce atât consumul de combustibil, cât şi emisiile de oxizi de azot (explicaţii mai amănunţite în cartea  Stan, C.: „Alternative Propulsion Systems for Automobiles”, Springer Internaţional, 2017).

Motoarele cu injecţie directă de metanol în patru timpi Wärtsilä, sunt utilizate pe feribotul Stena Germanica, iar motoarele în doi timpi B&W/MAN pe nava Lindager cu 10.320 kW. Metanolul pentru "Stena Germanica" este produs pe bază de dioxid de carbon „captat”din gaze de furnal emise de cea mai mari companie producătoare de oţel din Suedia, SSAB din Luleå.

Compania daneză de transport maritim de containere Möller-Maersk a comandat, de asemenea, opt nave mari de containere pentru a rula pe metanol "verde", începând din 2024. Fiecare dintre aceste nave are o capacitate de 16 000 de containere standard (TEU). Se preconizează că aceste nave vor reduce emisiile de dioxid de carbon ale respectivei companii maritime cu un milion de tone pe an (de la 33 de milioane de tone în 2020). Din arderea metanolului cu aer, rezultă, de asemenea, mult mai puţine particule şi poluanţi decât cele provenite din arderea motorinei sau a păcurii. Noile nave vor fi construite de Hyundai Heavy Industries în colaborare cu producătorul de motoare marine MAN.      

Motoare identice sau similare sunt utilizate pentru acţionarea generatoarelor în centrale electrice şi nucleare, precum şi în spitale şi bănci.

Traficul aerian poate deveni, de asemenea, neutru din punct de vedere climatic, în viitorul apropiat, folosind motoare termice cu combustibili sintetici sau regenerativi.  

Airbus, Rolls-Royce, Nestle şi Centrul German pentru Aviaţie şi Astronautică (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR) investighează în prezent comportamentul unor astfel de combustibili în motoare de avion, cum ar fi, de exemplu, motorul turbofan pentru aeronava de pasageri Airbus A 350.

Cel mai dezvoltat în grupa de combustibili durabili SAF (Sustainable Aviation Fuels) este HEFA (esteri hidroprocesaţi şi acizi graşi), acesta fiind compus, printre altele, din deşeuri de grăsimi şi deşeuri din industria alimentară. Performanţele şi emisiile motoarelor de avion alimentate cu combustibilul HEFA sunt investigate şi într-un alt proiect actual, ECLIF3 (Emission and Climate Impact of Alternative Fuels), la care participă Airbus, Rolls-Royce, producătorul SAF, Nestle şi DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – Centrul German pentru Aviaţie şi Astronautică).

 În acelaşi cadru, utilizarea unui biokerosen elaborat din materii prime solide, cum ar fi cerealele sau algele, a fost testată recent în motoare de aeronave. SAF include şi aşa-numiţii combustibili „power-to-liquid” care sunt produşi tot prin sinteza hidrogenului şi a dioxidului de carbon. Marele avantaj al combustibililor SAF este că aceştia nu reclamă modificări ale motoarelor, ale aeronavei înseşi, sau ale infrastructurii din aeroporturi.

Despre uleiuri vegetale şi biogaz, combustibili regenerativi care pot fi produşi şi în România, veţi putea citi într-un viitor articol.

Arderea rămâne, în afara fisiunii şi a fuziunii nucleare, mama tuturor reacţiilor chimice cu degajare de energie! Motoarele termice cu combustibili sintetici şi regenerabili nu provoacă, datorită reciclării dioxidului de carbon în natură, schimbări climatice şi sunt practic de neînlocuit pe uscat, în aer şi pe mare.