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– No futuro, os veículos comerciais não apenas terão que emitir menos CO 2, mas também cumprir limites de emissão de escapamento mais rígidos. Muitos especialistas esperam que isso possa significar o fim do diesel fóssil. Uma alternativa possível é o éter dimetílico: a substância altamente volátil queima de forma muito limpa e pode ser produzida a partir de energia renovável. A Empa está investigando esse novo conceito de trem de força usando um motor de teste especial.
Cortesia EMPA por Rainer Klose: Operar uma frota de caminhões é um negócio difícil. Esqueça o romance do caminhoneiro; forte competição e alta pressão de preços é o nome do jogo. Regulamentações ambientais cada vez mais rígidas visando reduzir as emissões de CO 2 e valores rígidos de gases de escape, especialmente com relação aos óxidos de nitrogênio (NO X ), irão intensificar ainda mais a pressão sobre a indústria nos próximos anos.
Se os operadores de caminhão não confiarem na tecnologia mais recente, eles terão que temer o aumento de pedágios ou desvantagens fiscais em vários países. Muitos fabricantes e operadores de veículos comerciais estão considerando agora sistemas alternativos de trem de força para melhorar o desempenho ambiental de suas frotas.
No entanto, os acionamentos elétricos dificilmente são adequados para veículos comerciais em operação de longa distância: as baterias seriam muito pesadas, os tempos de carregamento muito longos e a potência de carregamento necessária muito alta para uso competitivo.
O hidrogênio pode resolver este problema: em setembro de 2020, os primeiros caminhões Hyundai com célula de combustível estão em operação comercial de teste na Suíça.
O gás natural sintético do excedente de eletricidade verde também está sob investigação: a partir de 2021, os primeiros caminhões a gás natural serão reabastecidos no demonstrador de mobilidade da Empa, move.
Mas há outra alternativa que seria adequada para o transporte de longa distância e que merece um exame mais atento: Em suma, o éter dimetílico ou DME.
Infraestrutura favorável, combustão limpa
O DME é produzido em uma escala de várias dezenas de milhares de toneladas anualmente. O produto químico é usado como propelente em latas de spray e serve como componente de refrigerantes em sistemas de resfriamento.
O DME também é amplamente utilizado como produto intermediário na indústria química. Sua vantagem é que pode ser produzido a baixo custo e quase sem perdas a partir do metanol, que por sua vez pode ser produzido a baixo custo usando eletricidade solar e eólica. DME, portanto, oferece a oportunidade de tornar os caminhões neutros em CO 2 .
Outra vantagem: o DME tem propriedades semelhantes às do gás liquefeito de petróleo (GLP). Ao contrário do hidrogênio, ele pode ser transportado e armazenado em tanques padrão sob baixa pressão na forma líquida.
A tecnologia para postos de abastecimento de GLP e, portanto, também para DME, é econômica, é conhecida mundialmente e já está em uso há décadas. Além do mais, como o DME contém oxigênio quimicamente ligado, a substância queima de forma particularmente limpa e com pouca formação de fuligem.
Testando em um motor de caminhão modificado
Já houve testes com DME como combustível no passado: a Volvo Trucks tem conduzido testes de campo com caminhões experimentais movidos por DME na Suécia e nos EUA desde 2013. Na Alemanha, um projeto de pesquisa coordenado pelo Centro de Pesquisa e Inovação da Ford Aachen está funcionando desde 2016. O motor foi instalado e testado num Ford Mondeo.
A Empa, junto com a FPT Motorenforschung AG Arbon, o Politechnico di Milano, o fabricante de lubrificantes Motorex e outros parceiros, agora estenderá o conhecimento adquirido até agora. Desde o início de julho de 2020, o motor de teste está em operação em um dinamômetro no Laboratório de Tecnologias de Motorização Automotiva da Empa. Os cientistas pretendem fornecer dados sólidos sobre o processo de combustão, eficiência e impacto ambiental do DME no setor de veículos comerciais.
“Já conhecemos este motor muito bem”, disse o líder do projeto Patrik Soltic. “O bloco do motor é derivado de um motor de veículo comercial Cursor 11 fabricado pela FPT Industrial e já nos serviu por cinco anos em vários projetos de pesquisa.
Nos últimos meses, nós o convertemos para DME junto com nosso parceiro FPT.” Isso não foi fácil: em contraste com o diesel, o DME altamente volátil quase não tem qualidades de lubrificação, o que teria destruído rapidamente a bomba de alta pressão do sistema de injeção common rail.
Operação sem aditivos de combustível
Os pesquisadores querem testar seu motor com DME puro, sem usar aditivos lubrificantes, como foi feito em projetos anteriores. Em cooperação com um grande fornecedor europeu, uma nova bomba common rail lubrificada a óleo foi desenvolvida.
Além disso, as válvulas e os insertos da sede da válvula foram convertidos em materiais adequados para DME. Um compressor eletricamente acionado para a recirculação precisa dos gases de escape também é usado.
Finalmente, as câmaras de combustão e a taxa de compressão do antigo motor diesel também foram modificadas. A nova forma das câmaras de combustão foi desenvolvida com a ajuda de simulações matemáticas no Politechnico di Milano. O projeto de pesquisa é co-financiado pelo Escritório Federal Suíço de Energia (FOEN).
Combustível da eco-fábrica
Dimetil éter (DME), o combustível ecológico para motores de ignição por compressão, pode ser produzido a partir de hidrogênio e CO 2 . Se o hidrogênio for produzido com energia renovável e o CO 2 for capturado da atmosfera, os caminhões podem ser conduzidos praticamente sem emissões de gases de efeito estufa.
O pesquisador da Empa Andreas Borgschulte e sua equipe estão investigando processos químicos que produzem DME da forma mais eficiente possível. O método de catálise assistida por sorção é considerado muito promissor: Os dois materiais de partida gasosos, hidrogênio e CO 2 , precisam entrar em contato com partículas ativas de cobre para iniciar a reação química para formar metanol ou DME.
A água é formada como um subproduto. Se a água for removida da mistura de reação, o equilíbrio químico muda para o produto. Em outras palavras: só então as grandes quantidades desejadas de metanol e DME podem ser produzidas. Para remover a água, os pesquisadores da Empa usam zeólita, um mineral que absorve água.
Em experimentos de laboratório, a equipe de Borgschulte descobriu que, em uma certa temperatura, o CO 2 e o hidrogênio produzem principalmente DME, com apenas uma pequena quantidade de metanol. “A produção de DME usando este método é, portanto, teoricamente viável”, diz Borgschulte, acrescentando: “Infelizmente, no momento, o processo ainda não é muito eficiente”.
A próxima etapa seria, portanto, refinar o processo químico e desenvolver instalações de produção adequadas. Só então podemos avaliar se a produção de DME usando catálise assistida por sorção é economicamente competitiva. A pesquisa foi realizada em colaboração com a Universidade de Zurique como parte do projeto LightChEC.
Operação rodoviária simulada
“Agora queremos conhecer o motor com o novo combustível”, diz Soltic. Os pesquisadores estão começando com um estilo de direção de carga média comum em rodovias, onde o motor deve fornecer 100 kW de potência. “Em seguida, modificamos o tempo e a pressão da injeção, entre outras coisas, e examinamos os valores de emissão do escapamento e o consumo de combustível.”
Os primeiros resultados são muito promissores. O motor experimental funciona de forma estável em todas as faixas de carga do motor, praticamente não produz partículas de fuligem e valores de NOx significativamente mais baixos do que um diesel. Isso leva a um sistema de pós-tratamento de gases de escape significativamente mais compacto e econômico, mesmo para futuros limites de emissão de poluentes extremamente rígidos.
A grande vantagem da operação do DME, diz Soltic, é a oportunidade de transferir uma proporção muito alta de gases de escapamento para a próxima carga no cilindro. Isso é feito por meio da chamada recirculação dos gases de escape (EGR).
Essa tecnologia torna possível economizar uma grande quantidade de NOx, o que alivia a carga sobre o sistema de purificação dos gases de escape atrás do motor e permite que limites futuros mais rígidos sejam alcançados facilmente. Com o diesel fóssil, as altas taxas de recirculação dos gases de escape levam a maiores emissões de partículas, o que não é o caso do DME.
Durante a fase de teste, os pesquisadores da Empa coletam repetidamente amostras do óleo do motor para rastrear reações químicas. Os resultados são encaminhados ao parceiro do projeto Motorex, que usa os dados para desenvolver um novo óleo de motor especialmente adaptado para operação DME.
Pesquisa conjunta entre concorrentes de caminhões
“Atualmente ainda estamos na fase pré-competitiva de nossas pesquisas”, explica Soltic. Os resultados do projeto são parcialmente públicos e discutidos em conjunto com concorrentes da indústria automobilística.
A plataforma para essas discussões é a “International DME Association” fundada em 2001, que atualmente tem 50 membros da ciência e da indústria. “Mas em algum estágio futuro, todos vão querer guardar seus resultados para si mesmos”, diz o pesquisador da Empa. “Nesse ponto, é fundamental que tenhamos um bom conhecimento da tecnologia para podermos continuar fornecendo contribuições valiosas como parceiro de pesquisa para a indústria”. caminhões
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