Come si comportano i carburanti alternativi nel freddo estremo

Di recente, Power Progress ha pubblicato un articolo su una ricerca condotta dall'Alberta Motor Transport Association (AMTA) canadese in merito all'uso dell'idrogeno come combustibile a temperature estremamente fredde.

Si scopre che quando la colonnina di mercurio scende, anche altri combustibili alternativi affrontano sfide simili.

Jeffrey D. Naber, professore di sistemi energetici presso la Michigan Technological University, ha utilizzato come punto di riferimento il gasolio fossile nei motori ad accensione per compressione.

"Il gasolio ha una volatilità relativamente bassa", ha detto Naber. "Ciò significa che è difficile da vaporizzare e mescolare a basse temperature. Contiene alcune paraffine, quindi in genere inizia a cerare a basse temperature".

Secondo Matt Leuck, responsabile tecnico del settore Renewable Road Transportation per il Nord America presso il produttore di carburante sostenibile Neste, il funzionamento del gasolio in climi freddi è funzione del tipo di molecole contenute nel carburante.

"Se hai molecole di diesel a catena più lunga e più pesanti, queste gelificheranno più velocemente", ha detto. "Se hai molecole di diesel a catena più corta e più leggere, queste rimarranno liquide più a lungo".

Gli additivi consentono al carburante diesel di fluire a temperature più basse per il funzionamento nei climi freddi, senza però essere troppo volatile per l'uso estivo, ha affermato Naber, oltre ad altri metodi per favorire l'accensione.

"Facciamo affidamento sul calore di compressione e potenzialmente su altri meccanismi per ottenere temperature nel cilindro tali che il carburante si autoinfiammi", ha affermato.

HVO e biodiesel

Un'alternativa al diesel fossile nei motori ad accensione per compressione è il diesel rinnovabile, noto anche come olio vegetale idrotrattato (HVO). Leuck ha affermato che, sebbene le basse temperature non possano essere realmente affrontate una volta prodotto il diesel rinnovabile, si può fare molto nel processo di raffinazione per affrontare il funzionamento in climi freddi.

Neste MY Renewable Diesel presso l'autogrill di North Brunswick, NJ, della KW Rastall Oil. Neste ha annunciato di recente una partnership con la township di North Brunswick per consentire a tutti i veicoli e le attrezzature diesel della township di passare al diesel rinnovabile. (Foto: KW Rastall Oil)

"Possiamo sostanzialmente dire che vogliamo realizzare questo tipo di combustibile", ha detto Leuck. "Possiamo dire che vogliamo realizzare un punto di torbidità di X, Y o Z, e possiamo centrarlo in qualsiasi giorno della settimana grazie alla tecnologia che abbiamo nel processo di produzione".

Leuck ha aggiunto che il punto di torbidità è il punto in cui iniziano a formarsi i cristalli di cera.

Un'altra alternativa al diesel fossile è il biodiesel, che viene prodotto anch'esso da materie prime simili al diesel rinnovabile, ma tramite un processo di raffinazione diverso. Secondo Naber, tuttavia, non si comporta in modo molto diverso dal diesel fossile nel freddo pungente.

"Il biodiesel tende ad avere lunghe catene [di idrocarburi] e tende a cerare proprio come il gasolio, quindi ha un problema a basse temperature", ha affermato Naber.

Leuck ha affermato che, a differenza del diesel rinnovabile, il processo di raffinazione del biodiesel, abbinato ai tipi di materie prime, limita le possibilità che i produttori possono avere per adattarlo alle temperature estremamente rigide.

"Possono solo scomporre la materia prima, ma non possono reinserire altro idrogeno in quella molecola di carburante", ha detto Leuck, riferendosi al processo di idrotrattamento nel diesel rinnovabile che crea idrocarburi paraffinici. Ha aggiunto che il processo del biodiesel non consente l'isomerizzazione delle molecole, che è la fase nel processo di raffinazione del diesel rinnovabile che definisce realmente le sue proprietà per climi freddi.

Naber ha affermato che i composti paraffinici (quelli a catena lunga, a catena lineare o isoparaffinici) hanno un numero di cetano elevato.

"Il numero di cetano è la sua caratteristica capacità di autoinfiammarsi", ha detto. "Quindi è un bene. Più cetani ho, più paraffinici ho, più bassa è la temperatura [a cui] si autoinfiammerà".

Ha aggiunto: "A seconda di come viene prodotto il diesel rinnovabile, in genere (di nuovo, dipende dal processo) tende ad avere più di questi idrocarburi a catena lunga che hanno un numero di cetano più elevato. Hanno anche una minore capacità di fuliggine. Ma questi carburanti hanno in genere punti di ceratura più elevati".

Opzioni di accensione a scintilla

Sono disponibili anche carburanti alternativi per motori ad accensione comandata. Uno che viene spesso utilizzato è l'etanolo, che Naber ha detto "ha una bassa volatilità, quindi non è adatto per avviamenti a basse temperature".

Ha aggiunto: "Potremmo passare ai combustibili gassosi. Il vantaggio di un combustibile gassoso è che non devo vaporizzarlo".

Sia il gas naturale liquefatto (GNL) che il gas di petrolio liquefatto (propano o GPL) continuano a vaporizzare in condizioni normali, anche a basse temperature, ha affermato Naber.

Un serbatoio di stoccaggio di gas naturale liquefatto (GNL). (Foto: Adobe Stock)

"Una delle sfide con il gas naturale è che, come l'aria, quando si espande, si raffredda", ha detto Naber. "Devo espanderlo dal serbatoio ad alta pressione, quindi il raffreddamento può essere piuttosto significativo".

Ha aggiunto che gli scambiatori di calore possono garantire che il carburante che entra nel cilindro non sia troppo freddo.

Nei motori a combustione interna, Naber ha affermato che l'idrogeno funziona in modo simile.

"Ho bisogno di conservare l'idrogeno liquefatto criogenicamente, oppure potrei averlo in un serbatoio compresso", ha detto. "Non si raffredda molto quando lo espandi. Ha proprietà termodinamiche diverse".

Tuttavia, come il gas naturale e il GPL, non ha bisogno di essere vaporizzato.

"Devo solo mescolarlo, ottenere la giusta quantità di aria e accenderlo con una scintilla", ha detto Naber.

La sfida con i motori ad accensione comandata a basse temperature è ottenere la giusta miscela stechiometrica di carburante e aria al momento dell'accensione comandata, ha affermato Naber.

Nonostante queste sfide, i motori sono più adatti di molte altre tecnologie a funzionare in condizioni di freddo estremo.

"Se pensi a un motore, in realtà può funzionare a temperature estreme rispetto a qualsiasi altro dispositivo che ti venga in mente", ha detto Naber. "Le batterie hanno problemi a basse temperature. Le celle a combustibile hanno problemi a basse e alte temperature. Quindi, un motore è abbastanza robusto alla temperatura in generale".

Sfide nell'utilizzo dei camion a idrogeno in condizioni di freddo estremo Le prove condotte dall'Alberta Motor Transport Association (AMTA) canadese hanno individuato quattro aree di interesse chiave.

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