De voordelen van zeer efficiënte motoren met flexibele brandstof voor zware vrachtwagens

De California Air Resources Board heeft een verordening aangenomen die vrachtwagen- en motorfabrikanten verplicht om de stikstofoxide (NO .)_x) uitstoot van nieuwe zware vrachtwagens met 90 procent vanaf 2027. NO_x van zware vrachtwagens is een van de belangrijkste bronnen van luchtvervuiling, veroorzaakt smog en bedreigt de gezondheid van de luchtwegen. Deze verordening vereist de grootste vermindering van de luchtvervuiling in Californië in meer dan een decennium. Hoe kunnen fabrikanten dit agressieve doel efficiënt en betaalbaar bereiken?

Daniel Cohn, een onderzoekswetenschapper bij het MIT Energy Initiative, en Leslie Bromberg, een hoofdonderzoeker bij het MIT Plasma Science and Fusion Center, hebben gewerkt aan een zeer efficiënte benzine-ethanolmotor die schoner en kosteneffectiever is dan bestaande dieselmotortechnologieën. Hier legt Cohn de benadering van flexibele brandstofmotoren uit en waarom dit op de korte termijn misschien wel de meest realistische oplossing is om Californië te helpen zijn strenge doelstellingen voor vermindering van de emissie van voertuigen te halen. Het onderzoek werd gesponsord door het Arthur Samberg MIT Energy Innovation fund.

V. Hoe werkt uw zeer efficiënte, flexibele benzinemotortechnologie?

A. Ons doel is om een ​​betaalbare oplossing te bieden voor motoren van zware voertuigen (HDV) die lage niveaus van stikstofoxide (NO) uitstoten_x) emissies die zouden voldoen aan de NO . van Californië_x regelgeving, terwijl ook snel startende verlagingen van het benzineverbruik in een aanzienlijk deel van de HDV-vloot.

Momenteel gebruiken grote vrachtwagens en andere HDV’s over het algemeen dieselmotoren. De belangrijkste reden hiervoor is hun hoge efficiëntie, die de brandstofkosten verlaagt – een belangrijke factor voor commerciële vrachtwagens (vooral langeafstandsvrachtwagens) vanwege het grote aantal kilometers dat wordt gereden. Echter, de NO_x uitstoot van deze dieselaangedreven voertuigen is ongeveer 10 keer groter dan die van motoren met vonkontsteking die worden aangedreven door benzine of ethanol.

Benzinemotoren met vonkontsteking worden voornamelijk gebruikt in auto’s en lichte vrachtwagens (lichte voertuigen), die gebruikmaken van een driewegsysteem voor de behandeling van uitlaatgassen met katalysator (in het algemeen aangeduid als een katalysator) dat de NO_x uitstoot met ten minste 98 procent en tegen een bescheiden prijs. Het gebruik van dit zeer effectieve uitlaatgasbehandelingssysteem wordt mogelijk gemaakt door het vermogen van motoren met vonkontsteking om te werken met een stoichiometrische lucht/brandstofverhouding (waarbij de hoeveelheid lucht overeenkomt met wat nodig is voor volledige verbranding van de brandstof).

Dieselmotoren werken niet met stoichiometrische lucht/brandstofverhoudingen, waardoor het veel moeilijker is om NO . te verminderen_x uitstoot. Hun ultramoderne uitlaatgasbehandelingssysteem is veel complexer en duurder dan katalysatoren, en zelfs daarmee produceren voertuigen NO_x uitstoot ongeveer 10 keer hoger dan bij voertuigen met vonkontsteking. Bijgevolg is het voor dieselmotoren een grote uitdaging om hun NO .-gehalte verder te verlagen_x emissies om te voldoen aan de nieuwe Californische voorschriften.

Onze aanpak maakt gebruik van motoren met vonkontsteking die kunnen worden aangedreven door benzine, ethanol of mengsels van benzine en ethanol als vervanging voor dieselmotoren in HDV’s. Benzine heeft het aantrekkelijke kenmerk dat het overal verkrijgbaar is en tegen vergelijkbare of lagere kosten dan dieselbrandstof. Bovendien produceert de momenteel beschikbare ethanol in de VS tot 40 procent minder uitstoot van broeikasgassen (BKG) dan diesel of benzine en heeft het een algemeen beschikbaar distributiesysteem.

Om HDV’s met benzine- en/of ethanolaangedreven motor met vonkontsteking aantrekkelijk te maken voor wijdverbreide HDV-toepassingen, hebben we manieren ontwikkeld om motoren met vonkontsteking efficiënter te maken, zodat hun brandstofkosten aantrekkelijker zijn voor eigenaren van zware vrachtwagens. Onze aanpak biedt dieselachtige hoge efficiëntie en hoog vermogen in benzinemotoren door verschillende methoden te gebruiken om motorklop (ongewenste zelfontbranding die de motor kan beschadigen) in benzinemotoren met vonkontsteking te voorkomen. Dit maakt een grotere turbodruk mogelijk en het gebruik van hogere motorcompressieverhoudingen. Deze eigenschappen zorgen voor een hoog rendement, vergelijkbaar met dat van dieselmotoren. Bovendien, wanneer de motor wordt aangedreven door ethanol, wordt de vereiste klopvastheid geleverd door de intrinsiek hoge klopvastheid van de brandstof zelf.

V. Wat zijn de grootste uitdagingen bij het implementeren van uw technologie in Californië?

A. Californië is altijd de pionier geweest op het gebied van de bestrijding van luchtverontreinigende stoffen, waarbij staten als Washington, Oregon en New York vaak volgen. Als de dichtstbevolkte staat heeft Californië veel invloed – het is een trendsetter. Wat er in Californië gebeurt, heeft gevolgen voor de rest van de Verenigde Staten.

De belangrijkste uitdaging bij de implementatie van onze technologie is het argument dat een betere verbrandingsmotortechnologie niet nodig is, omdat batterijgevoede HDV’s, met name langeafstandsvrachtwagens, de vereiste rol kunnen spelen bij het verminderen van NO_x en BKG-emissies tegen 2035. We denken dat een substantiële marktpenetratie van batterij-elektrische voertuigen (BEV) in deze voertuigsector aanzienlijk langer zal duren. In tegenstelling tot lichte voertuigen is er zeer weinig batterijvermogen in de HDV-vloot doorgedrongen, vooral in langeafstandsvrachtwagens, die de grootste verbruikers van dieselbrandstof zijn. Een reden hiervoor is dat langeafstandsvrachtwagens die gebruik maken van batterijvoeding de uitdaging hebben van verminderde laadcapaciteit vanwege het aanzienlijke batterijgewicht. Een andere uitdaging is de aanzienlijk langere oplaadtijd voor BEV’s in vergelijking met die van de meeste huidige HDV’s.

Vrachtwagens op waterstof die gebruikmaken van brandstofcellen zijn ook voorgesteld als alternatief voor BEV-vrachtwagens, wat de belangstelling voor het gebruik van verbeterde verbrandingsmotoren zou kunnen beperken. Vrachtwagens op waterstof worden echter geconfronteerd met de enorme uitdagingen om waterstof zonder broeikasgassen te produceren tegen betaalbare kosten, evenals de kosten van opslag en transport van waterstof. Momenteel is de zeer zuivere waterstof die nodig is voor brandstofcellen over het algemeen erg duur.

V. Hoe verhoudt uw idee zich in het algemeen tot op batterijen en waterstof aangedreven HDV’s? En hoe ga je mensen ervan overtuigen dat het een aantrekkelijk traject is om te volgen?

A. Ons ontwerp maakt gebruik van bestaande voortstuwingssystemen en kan werken op bestaande vloeibare brandstoffen, en om deze redenen zal het op korte termijn economisch aantrekkelijk zijn voor de exploitanten van langeafstandsvrachtwagens. Het kan zelfs een goedkopere optie zijn dan diesel vanwege de aanzienlijk goedkopere uitlaatbehandeling en kleinere motoren voor hetzelfde vermogen en koppel. Deze economische aantrekkelijkheid kan de grootschalige marktpenetratie mogelijk maken die nodig is om een ​​substantiële impact te hebben op het terugdringen van luchtverontreiniging. Als alternatief denken we dat het minstens 20 jaar langer kan duren voordat BEV’s of voertuigen op waterstof dezelfde marktpenetratie hebben.

Onze aanpak maakt ook gebruik van bestaande ethanol op basis van maïs, die op korte termijn een groter voordeel kan opleveren voor de vermindering van broeikasgassen dan langeafstandsvrachtwagens op batterijen of waterstof. Hoewel de BKG-reductie door het gebruik van bestaande ethanol aanvankelijk tussen de 20 en 40 procent zou liggen, zou de schaal waarop de markt op korte termijn wordt gepenetreerd veel groter kunnen zijn dan voor BEV of waterstofaangedreven voertuigtechnologie. Het totale effect bij het terugdringen van broeikasgassen zou aanzienlijk groter kunnen zijn.

Bovendien zien we een migratiepad na 2030 waar verdere reducties van de BKG-emissies van maïs-ethanol mogelijk kunnen zijn door koolstofafvang en -vastlegging van de koolstofdioxide (CO₂) dat wordt geproduceerd tijdens de productie van ethanol. In dit geval is de totale CO₂ verminderingen kunnen mogelijk 80 procent of meer zijn. Technologieën voor het produceren van ethanol (en methanol, een andere alcoholbrandstof) uit afval tegen aantrekkelijke kosten zijn in opkomst en kunnen brandstof leveren met nul of negatieve broeikasgasemissies. Een manier om een ​​negatieve BKG-impact te bewerkstelligen, is door alternatieven te vinden voor het storten van afval voor afvalverwijdering, aangezien deze methode leidt tot krachtige methaan-BKG-emissies. Een negatief BKG-effect kan ook worden verkregen door biomassa-afval om te zetten in schone brandstof, aangezien het biomassa-afval CO2-neutraal kan zijn en CO₂ uit de productie van de schone brandstof kan worden opgevangen en opgeslagen.

Bovendien kan onze flex-fuel-motortechnologie synergetisch worden gebruikt als range-extenders in plug-in hybride HDV’s, die een beperkte batterijcapaciteit gebruiken en de nadelen van het laadvermogen en de brandstofvoorziening van langeafstandsvrachtwagens die alleen op batterijen werken, wegnemen.

Met de groeiende bedreigingen van luchtvervuiling en opwarming van de aarde, is onze HDV-oplossing een steeds belangrijkere optie voor het op korte termijn verminderen van luchtvervuiling en biedt het een snellere start bij het verminderen van de BKG-emissies van zware vrachtwagens. Het biedt ook een aantrekkelijk migratiepad voor grotere BKG-reducties op langere termijn door de HDV-sector.