به گزارش تجارت نیوز، در حالی که صنعت خودرو به سرعت به سمت خودروهای برقی و فناوریهای بدون سوخت فسیلی حرکت میکند، موتورهای احتراق داخلی همچنان بخش بزرگی از ناوگان خودروهای جهان را تشکیل میدهند. همین موضوع باعث شده است پژوهشگران به دنبال راههایی برای کاهش اثرات زیستمحیطی خودروهای بنزینی بدون نیاز به کنار گذاشتن کامل موتورهای موجود باشند.
یکی از راهکارهای مورد توجه، تولید سوختهایی است که بخشی از ترکیبات فسیلی آنها با مواد تجدیدپذیر جایگزین شود. در همین راستا، گروهی از پژوهشگران مؤسسه تحقیقاتی علوم و مهندسی دانشگاه شارجه در امارات متحده عربی، چهار فرمول جدید از بنزین هیبریدی کمکربن را توسعه دادهاند.
این چهار سوخت که با نامهای HyperFuel-95، HyperFuel-98، HyperFuel-100 و HyperFuel-102 معرفی شدهاند، با هدف دستیابی به اکتان بالا و بهبود برخی ویژگیهای سوخت طراحی شدهاند. نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد این ترکیبات از نظر مقاومت در برابر کوبش، پایداری سوخت، نوسانات و برخی ویژگیهای احتراق عملکرد امیدوارکنندهای دارند.
نکته مهم در این تحقیق آن است که پژوهشگران تلاش کردهاند سوختی تولید کنند که بتواند با موتورهای احتراق داخلی فعلی سازگار باشد. بنابراین، برای استفاده از آن الزاماً نیازی به طراحی یک موتور کاملاً جدید نیست.
چهار بنزین جدید با اکتان ۹۵ تا ۱۰۲
هسته اصلی این پژوهش، توسعه چهار نوع سوخت هیبریدی با درجههای مختلف اکتان است. HyperFuel-95 پایینترین درجه این مجموعه را دارد و HyperFuel-102 برای کاربردهای با عملکرد بالاتر طراحی شده است.
درجه اکتان یکی از شاخصهای مهم کیفیت بنزین محسوب میشود و نشان میدهد سوخت تا چه اندازه در برابر احتراق زودهنگام و پدیده موسوم به «کوبش موتور» مقاومت دارد. هرچه مقاومت سوخت در برابر این پدیده بیشتر باشد، امکان استفاده از آن در برخی موتورهای با نسبت تراکم و عملکرد بالاتر افزایش پیدا میکند.
HyperFuel-102 نیز با همین رویکرد برای موتورهای با کارایی بالا، خودروهای مسابقهای و حتی برخی کاربردهای هوانوردی در نظر گرفته شده است.
پژوهشگران این چهار فرمول را بهعنوان نسل جدیدی از سوختهای زیستی بنزینی هیبریدی معرفی میکنند؛ سوختهایی که قرار است میان زیرساخت فعلی مبتنی بر بنزین و نیاز آینده به کاهش انتشار کربن ارتباط ایجاد کنند.
سوخت جدید چگونه ساخته شده است؟
فرمولاسیون HyperFuel بر پایه ترکیبی از چند جریان سوختی و دو افزودنی اکسیژندار با قابلیت افزایش اکتان شکل گرفته است.
محققان از بنزین فیشر-تروپش یا GFT، ریفرمیت و نفتای سبک مستقیم یا LSRN استفاده کردند و در کنار آنها دو ماده یعنی ایزوپروپانول و MED را به ترکیب افزودند.
ایزوپروپانول یک الکل است که میتواند از مسیرهای زیستی نیز تولید شود. پژوهشگران اشاره میکنند که مواد اولیه زیستتودهای مانند ضایعات، محصولات گیاهی، چوب و جلبک میتوانند در برخی مسیرهای تولید الکلهای زیستی مورد استفاده قرار گیرند.
یکی از مسیرهای مورد توجه برای تولید ایزوپروپانول، فناوری تخمیر ABE یا استون-بوتانول-اتانول است که میتواند امکان تولید الکلهای سوختی از مواد زیستی را فراهم کند.
در کنار ایزوپروپانول، ماده دیگری با نام MED در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفته است که پژوهشگران آن را بهعنوان یک افزودنی جدید برای بنزین معرفی میکنند. این ماده از فرآیندی مرتبط با متوکسیلاسیون ایزوهگزن یا دیمات و استفاده از متانول تولید میشود.
MED؛ ستاره جدید ترکیبات افزایشدهنده اکتان
یکی از جالبترین یافتههای این تحقیق مربوط به عملکرد MED است.
آزمایشهای پژوهشگران نشان داد این ماده میتواند عملکرد ضدکوبش بسیار بالایی داشته باشد. عدد اکتان تحقیقاتی یا RON برای MED حدود ۱۳۱.۵ و عدد اکتان موتوری یا MON آن ۱۲۰ گزارش شده است.
برای مقایسه، اعداد مربوط به ایزوپروپانول در همین آزمایش به ترتیب حدود ۱۱۷ برای RON و ۹۹ برای MON بود.
این ارقام نشان میدهند MED از نظر افزایش مقاومت سوخت در برابر کوبش، ظرفیت قابل توجهی دارد.
محققان پس از انجام آزمایشهای مختلف، تأثیر اجزای مورد استفاده در مقاومت ضدکوبش را نیز بررسی کردند. نتیجه آزمایشها نشان داد نقش اجزای مختلف در این ویژگی، از بیشترین به کمترین، به ترتیب شامل MED، ریفرمیت، ایزوپروپانول، GFT و LSRN بوده است.
این یافته یکی از دلایل اصلی استفاده بیشتر از MED در فرمولاسیونهای با اکتان بالاتر است.
فرمول HyperFuel با افزایش اکتان تغییر میکند
محققان برای تولید چهار نوع سوخت HyperFuel، ترکیب اجزای مختلف را به تدریج تغییر دادند.
در فرمول مورد استفاده برای HyperFuel-95، ترکیب سوخت شامل ۱۵ درصد GFT، ۲۸ درصد LSRN، ۱۷ درصد MED، ۲۵ درصد ایزوپروپانول و ۱۵ درصد ریفرمیت بود.
اما در فرمول HyperFuel-102، سهم برخی از اجزای کماکتان کاهش پیدا کرد و سهم مواد مؤثرتر در افزایش اکتان بالا رفت. این فرمول شامل ۹ درصد GFT، ۱۷ درصد LSRN، ۲۰ درصد MED، ۲۵ درصد ایزوپروپانول و ۲۹ درصد ریفرمیت بود.
به این ترتیب، با افزایش درجه اکتان هدف از ۹۵ به ۱۰۲، سهم GFT و LSRN کاهش پیدا کرد و در مقابل سهم MED و ریفرمیت افزایش یافت.
این تغییرات نشان میدهد پژوهشگران تلاش کردهاند میان ترکیبات نفتی و اجزای تجدیدپذیر تعادل ایجاد کنند و همزمان ویژگیهای فنی سوخت، بهویژه مقاومت در برابر کوبش، را بهبود دهند.
چرا پژوهشگران به دنبال بنزین هیبریدی هستند؟
یکی از چالشهای اصلی صنعت حملونقل این است که با وجود رشد خودروهای برقی، تعداد بسیار زیادی خودروی بنزینی و موتور احتراق داخلی همچنان در جادهها فعال هستند.
تغییر کامل این ناوگان به خودروهای برقی به زمان، زیرساخت شارژ و سرمایهگذاری گسترده نیاز دارد. به همین دلیل، سوختهای کمکربن سازگار با موتورهای موجود میتوانند بهعنوان یک راهکار انتقالی مورد توجه قرار گیرند.
ایده اصلی این است که به جای انتظار برای جایگزینی کامل خودروهای بنزینی، ترکیب سوخت را به گونهای تغییر دهیم که سهم مواد تجدیدپذیر افزایش پیدا کند و در عین حال عملکرد موتور حفظ شود.
در چنین مدلی، یک خودرو با موتور احتراق داخلی میتواند همچنان از سوخت مایع استفاده کند، اما بخشی از مواد اولیه آن از منابع غیرنفتی تأمین شود.
پژوهشگران معتقدند چنین سوختهایی میتوانند در دوره گذار انرژی نقش داشته باشند؛ دورهای که در آن خودروهای برقی در حال گسترش هستند، اما موتورهای احتراق داخلی همچنان در بسیاری از کشورها حضور گستردهای دارند.
آزمایشهای گسترده برای بررسی کیفیت سوخت
برای بررسی عملکرد چهار فرمول HyperFuel، پژوهشگران مجموعهای از آزمایشهای آزمایشگاهی را انجام دادند.
در این آزمایشها شاخصهایی مانند عدد اکتان، چگالی، فشار بخار، ویژگیهای تقطیر، ترکیب هیدروکربنی، پایداری در برابر اکسیداسیون، میزان تشکیل صمغ و خوردگی مس بررسی شد.
این آزمایشها اهمیت زیادی دارند، زیرا بالا بودن عدد اکتان به تنهایی برای تبدیل یک ترکیب آزمایشگاهی به بنزین تجاری کافی نیست.
یک سوخت تجاری باید در شرایط مختلف دما و فشار پایدار بماند، ویژگیهای تبخیر مناسبی داشته باشد، باعث خوردگی اجزای موتور نشود و در طول زمان کیفیت خود را حفظ کند.
پژوهشگران برای تعیین RON و MON نیز از موتور استاندارد Cooperative Fuel Research یا CFR استفاده کردند. آزمایشها در شرایط عملیاتی مختلف انجام شد و در موارد لازم تکرار شد تا دقت و قابلیت تکرار نتایج افزایش پیدا کند.
مقایسه با بنزین معمولی
محققان برای ارزیابی عملکرد سوختهای جدید، آنها را با یک بنزین مرجع تجاری مقایسه کردند.
بنزین پایه مورد استفاده در این مقایسه از ترکیبی شامل ۶۰ درصد ریفرمیت و ۴۰ درصد بنزین حاصل از کراکینگ کاتالیستی سیال تشکیل شده بود.
نتایج آزمایشگاهی نشان داد ترکیبات HyperFuel میتوانند در کنار دستیابی به اکتان بالا، برخی ویژگیهای مطلوب سوخت را حفظ کنند.
پژوهشگران همچنین گزارش کردند که این سوختها دارای ویژگیهای ضدکوبش مناسب، محتوای پایینتر گوگرد و بنزن، پایداری اکسیداسیون مناسب و ویژگیهای مطلوب تقطیر هستند.
به گفته تیم تحقیقاتی، این ویژگیها میتواند استفاده از چنین سوختهایی را در موتورهای احتراق داخلی مدرن و برخی موتورهای با عملکرد بالا امکانپذیر کند.
HyperFuel-102 برای موتورهای قدرتمندتر طراحی شده است
در میان چهار فرمول پیشنهادی، HyperFuel-102 بیشترین عدد اکتان را دارد و برای کاربردهای خاصتر در نظر گرفته شده است.
سوخت با اکتان ۱۰۲ میتواند برای موتورهای با عملکرد بالا جذاب باشد؛ موتورهایی که برای دستیابی به توان بیشتر به سوختی با مقاومت بالاتر در برابر کوبش نیاز دارند.
پژوهشگران همچنین کاربردهایی مانند مسابقات اتومبیلرانی و برخی حوزههای هوانوردی را برای این فرمولاسیون مطرح کردهاند.
با این حال، رسیدن به اکتان بالا تنها یک بخش از داستان است. برای استفاده واقعی در موتور خودرو، باید رفتار سوخت در شرایط رانندگی، دماهای مختلف، بار موتور و چرخههای طولانیمدت نیز بررسی شود.
به همین دلیل، آزمایشهای موتور واقعی یکی از مراحل ضروری پیش از تجاریسازی این فناوری خواهد بود.
آیا این سوخت واقعاً کمکربن است؟
یکی از جذابترین ادعاهای مطرحشده درباره HyperFuel، کاهش ردپای کربنی آن در مقایسه با بنزین کاملاً فسیلی است.
اما در این بخش باید میان «پتانسیل کمکربن بودن» و اثبات کاهش انتشار گازهای گلخانهای تفاوت قائل شد.
این مطالعه نشان داده است که میتوان مواد تجدیدپذیر را در ترکیب بنزین وارد کرد و سوختی با اکتان بالا و ویژگیهای فنی مناسب ساخت. با این حال، پژوهش حاضر به طور کامل مشخص نکرده است که این سوختها در کل چرخه عمر خود دقیقاً چه میزان از انتشار گازهای گلخانهای را کاهش میدهند.
برای محاسبه این موضوع باید تمام مراحل زنجیره تولید بررسی شود؛ از تهیه مواد اولیه و کشت یا جمعآوری زیستتوده گرفته تا فرآوری، مصرف انرژی در کارخانه، حملونقل، ترکیب سوخت و در نهایت احتراق در موتور.
اگر تولید مواد تجدیدپذیر انرژی زیادی مصرف کند، بخشی از مزیت کربنی احتمالی آن کاهش خواهد یافت.
بنابراین، هنوز نمیتوان صرفاً بر اساس نتایج آزمایشگاهی اعلام کرد که HyperFuel در مقیاس تجاری قطعاً انتشار کربن کمتری نسبت به بنزین معمولی خواهد داشت.
بزرگترین چالش؛ عبور از آزمایشگاه به بازار
پژوهشگران خود نیز به این محدودیت اشاره کردهاند. تولید موفق یک سوخت در آزمایشگاه به معنای آماده بودن آن برای تولید انبوه نیست. برای ورود به بازار باید مشخص شود که مواد اولیه با چه قیمتی قابل تأمین هستند، فرآیند تولید چه میزان انرژی مصرف میکند و آیا میتوان ترکیبات جدید را در مقیاس پالایشگاهی تولید کرد یا خیر.
هزینه نیز یکی از عوامل تعیینکننده خواهد بود. اگر تولید HyperFuel به مواد اولیه گران یا فرآیندهای پیچیده نیاز داشته باشد، ممکن است قیمت نهایی آن برای مصرفکننده بالا باشد و رقابت با بنزین معمولی دشوار شود.
از سوی دیگر، زیرساختهای پالایشگاهی و شبکه توزیع سوخت نیز باید برای تولید و عرضه چنین ترکیباتی آماده باشند.
پژوهشگران به همین دلیل، انجام مطالعات فنی و اقتصادی جامع را مرحله بعدی مهم این پروژه میدانند. این مطالعات باید هزینه مواد اولیه، نیازهای فرآوری، امکان تولید در مقیاس بزرگ و سایر عوامل اقتصادی را بررسی کند.
موتورهای موجود؛ یک مزیت مهم برای سوختهای هیبریدی
یکی از نقاط قوت بالقوه این فناوری، سازگاری آن با موتورهای احتراق داخلی موجود است. اگر سوختهای هیبریدی بتوانند بدون تغییرات گسترده در موتور مورد استفاده قرار گیرند، مسیر ورود آنها به بازار میتواند سادهتر از فناوریهایی باشد که به ایجاد زیرساخت کاملاً جدید نیاز دارند.
این مسئله بهویژه در کشورهایی اهمیت دارد که ناوگان خودروهای بنزینی آنها برای سالهای طولانی در جادهها باقی خواهد ماند.
سوختهای هیبریدی در چنین شرایطی میتوانند بهعنوان یک راهکار میانی عمل کنند؛ یعنی در کنار توسعه خودروهای برقی، بخشی از انتشار مرتبط با خودروهای احتراق داخلی نیز کاهش پیدا کند.
البته میزان واقعی این کاهش باید با آزمایشهای موتور و ارزیابی چرخه عمر مشخص شود.
آیا بنزین کمکربن میتواند رقیب خودروهای برقی شود؟
هدف این فناوری لزوماً رقابت مستقیم با خودروهای برقی نیست. خودروهای برقی در حال تغییر ساختار صنعت حملونقل هستند و مزیت مهم آنها حذف انتشار مستقیم اگزوز است. اما انتقال کامل ناوگان جهانی به خودروهای برقی زمانبر خواهد بود.
در این فاصله، سوختهای کمکربن میتوانند بهعنوان یک گزینه مکمل مطرح شوند.
اگر ترکیباتی مانند HyperFuel بتوانند در مقیاس بزرگ با هزینه مناسب تولید شوند، ممکن است بدون نیاز به تعویض فوری میلیونها خودرو، بخشی از سوخت فسیلی مصرفی کاهش پیدا کند.
این موضوع بهخصوص برای خودروهای قدیمی، وسایل نقلیه سنگین، کاربردهای خاص صنعتی و بخشهایی که برقیسازی آنها دشوارتر است، اهمیت بیشتری خواهد داشت.
گام بعدی چیست؟
نتایج این مطالعه نشان میدهد مسیر توسعه این سوختها از نظر فنی میتواند امیدوارکننده باشد، اما برای رسیدن به محصول تجاری هنوز چند مرحله مهم باقی مانده است.
آزمایش در موتورهای واقعی، بررسی عملکرد در شرایط مختلف آبوهوایی، اندازهگیری دقیق آلایندهها و گازهای گلخانهای، بررسی دوام موتور و قطعات، ارزیابی چرخه عمر و محاسبه هزینه تولید در مقیاس صنعتی از جمله اقداماتی هستند که باید انجام شوند.
همچنین باید مشخص شود آیا تولید مواد تجدیدپذیر مورد نیاز برای چنین سوختهایی میتواند در مقیاس وسیع انجام شود یا خیر.
در صورت موفقیت این مراحل، سوختهایی مانند HyperFuel میتوانند بخشی از بازار سوختهای کمکربن را به خود اختصاص دهند؛ بازاری که در کنار رشد خودروهای برقی، احتمالاً در سالهای آینده اهمیت بیشتری پیدا خواهد کرد.
آیا بنزین ۱۰۲ اکتان آینده سوختهای کمکربن است؟
چهار فرمول جدید HyperFuel نشان میدهند که میتوان ترکیبی میان بنزینهای مبتنی بر نفت و افزودنیهای تجدیدپذیر ایجاد کرد و همزمان به اعداد اکتان ۹۵، ۹۸، ۱۰۰ و ۱۰۲ دست یافت.
در این میان، MED با عدد اکتان تحقیقاتی ۱۳۱.۵ و عدد اکتان موتوری ۱۲۰ یکی از مهمترین اجزای افزایشدهنده اکتان در این فرمولها بود. ایزوپروپانول نیز با RON حدود ۱۱۷ و MON حدود ۹۹ عملکرد قابل توجهی از خود نشان داد.
در فرمول HyperFuel-95، ترکیب شامل ۱۵ درصد GFT، ۲۸ درصد LSRN، ۱۷ درصد MED، ۲۵ درصد ایزوپروپانول و ۱۵ درصد ریفرمیت بود، در حالی که در HyperFuel-102 سهم GFT و LSRN به ترتیب به ۹ و ۱۷ درصد کاهش یافت و سهم MED و ریفرمیت به ۲۰ و ۲۹ درصد رسید.
نتایج آزمایشگاهی همچنین نشان دادند این سوختها میتوانند ویژگیهایی مانند مقاومت در برابر کوبش، پایداری اکسیداسیون و برخی مشخصات فیزیکی و شیمیایی مطلوب را حفظ کنند.
با این حال، مهمترین نکته این است که این تحقیق هنوز یک فناوری آزمایشگاهی را توصیف میکند و نه یک سوخت تجاری آماده عرضه در جایگاهها. هنوز مشخص نیست تولید انبوه این سوختها با چه هزینهای امکانپذیر خواهد بود و در کل چرخه عمر خود چه میزان کاهش واقعی در انتشار گازهای گلخانهای ایجاد خواهند کرد.
به همین دلیل، مرحله بعدی این فناوری باید از آزمایشگاه به موتور و سپس به مقیاس صنعتی منتقل شود. اگر آزمایشهای آینده نشان دهند که HyperFuel میتواند با هزینه رقابتی تولید شود، عملکرد موتور را حفظ کند و در مجموع ردپای کربنی پایینتری نسبت به بنزین معمولی داشته باشد، این سوختها میتوانند به یکی از گزینههای مهم دوره گذار انرژی تبدیل شوند.
در نهایت، آینده صنعت حملونقل احتمالاً تنها به یک فناوری وابسته نخواهد بود. خودروهای برقی، سوختهای زیستی، سوختهای مصنوعی و بنزینهای هیبریدی کمکربن میتوانند همزمان در بازار حضور داشته باشند. در این میان، فناوریهایی مانند HyperFuel یک مزیت مهم دارند: تلاش میکنند بدون کنار گذاشتن فوری موتورهای احتراق داخلی، میزان وابستگی آنها به سوختهای کاملاً فسیلی را کاهش دهند.