16 مه 2024 -توسط آیشواریا کریشنامورتی، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر-محققان NREL، Jon Luecke (راست) و Samah Mohamed با استفاده از تحلیلگر تاخیری احتراق سوخت پیشرفته (AFIDA) در آزمایشگاه سوخت، تجزیه و تحلیل سوخت را انجام می دهند. اعتبار: جو دلنرو، NREL
در حالی که انتظار می‌رود تقاضا برای سوخت‌های گرم‌کننده آب و هوا مانند نفت و گازوئیل قبل از سال 2030 به اوج خود برسد، تقاضای جهانی انرژی برای سوخت‌های جایگزین به جای وسایل نقلیه برای حمل و نقل مردم، کالاها و خدمات به سرعت در سال‌های آینده رشد خواهد کرد. محققان آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) اخیراً بررسی کردند که آیا نوع جدیدی از سوخت زیستی تولید شده توسط باکتری های دستکاری شده ژنتیکی می تواند بخشی از راه حل باشد.
دیزل مبتنی بر زیست توده به طور کلی ردپای کربن کمتری نسبت به دیزل معمولی دارد زیرا از سوخت های فسیلی ساخته نمی شود. دیزل مبتنی بر زیست توده امروزی عمدتاً از طریق فرآوری چربی ها و روغن ها از مواد گیاهی و محصولات حیوانی تولید می شود که به عنوان “مواد اولیه” شناخته می شوند.
باب مک کورمیک، محقق ارشد NREL، گفت: ما سالانه حدود چهار میلیارد گالن چربی و روغن برای تبدیل به سوخت تولید می‌کنیم که تقریباً نیمی از آن به سوخت بیودیزل در ایالات متحده می‌رسد. اما ما از 46 میلیارد گالن دیزل در سال برای حمل و نقل استفاده می کنیم.
برای پر کردن شکاف بین تقاضا و تولید بیودیزل، یافتن مواد اولیه و روش‌های جدید برای تولید گازوئیل مبتنی بر زیست توده در اولویت قرار دارد. محققان سوخت و احتراق NREL در تلاش برای شناسایی اینکه آیا این اکتشافات می توانند به طور ایمن و مناسب نیاز را برآورده کنند، رهبری می کنند.
محققان NREL با مشارکت ExxonMobil، خواص نوع جدیدی از سوخت زیستی ساخته شده توسط باکتری E. coli را که برای تغذیه از قند برای تولید متیل استرهای اسید چرب (FAME) مهندسی شده است، بررسی کردند، که شبیه به ترکیبات سازنده بیودیزل هستند.
این باکتری که توسط شرکت بیوتکنولوژی ژنوماتیکا مهندسی شده است، شهرت منحصر به فردی با خواصی ایجاد کرد که آن را از بیودیزل معمولی ساخته شده از، به عنوان مثال، روغن سویا متفاوت می کرد. شرکای NREL می خواستند بدانند که آیا سوخت جدید مزایایی نسبت به بیودیزل معمولی دارد یا اینکه آیا مشکلاتی در عملکرد وجود دارد یا خیر.
محققان سوخت‌ها و احتراق NREL اخیراً دو مقاله منتشر کرده‌اند که یافته‌های خود را در مورد این ویژگی‌های مختلف شرح می‌دهند – و نشان می‌دهند که چرا چنین تحقیقات بنیادی گامی ضروری برای ایجاد سوخت‌های خودروهای جدید خوب بررسی شده، قابل اعتماد و مناسب برای تسریع انتقال انرژی پاک است.
هر سوختی که قرار است وارد موتور شود، باید استانداردهای خاصی را رعایت کند، مانند استانداردهایی که توسط سازمان جهانی ASTM International تنظیم شده و در مقررات ایالات متحده به تصویب رسیده است. این استانداردها ایمنی، کیفیت و قابلیت اطمینان سوخت را تضمین می کنند. در حالی که سوخت های جدید می توانند هیجان انگیز باشند، وعده آنها در توانایی آنها برای برآورده کردن این مشخصات نهفته است. اینجاست که دانشمندان سوخت و احتراق و تجهیزات تحقیقاتی پیشرفته NREL وارد عمل می شوند.
مک کورمیک گفت: «ما به محققان و تولیدکنندگان سوخت‌های زیستی کمک می‌کنیم تا فناوری‌های خود را با نشان دادن عملکردشان در مقایسه با نحوه عملکردشان توسعه دهند.»
مک کورمیک نویسنده اصلی یکی از دو مقاله منتشر شده توسط گروه تحقیقاتی، “ارزیابی خواص سوخت متیل استرهای متیل اسید چرب منحصر به فرد حاوی استرهای β-هیدروکسی از میکروارگانیسم های مهندسی شده” بود که در Fuel Communications منتشر شد.
تیم محققان NREL آزمایش هایی را برای مقایسه خواص احتراق FAME منحصر به فرد با بیودیزل معمولی انجام دادند و یک “مدل جنبشی شیمیایی” برای احتراق FAME منحصر به فرد ساختند. مدل سینتیک شیمیایی یک نمایش ریاضی از واکنش‌های شیمیایی و مسیرهای مسئول تبدیل مواد سوختی به محصولات شیمیایی حاصل در طول فرآیند احتراق است.
دو ویژگی اصلی بر احتراق و خواص بیودیزل تأثیر می گذارد: طول زنجیره کربنی و درجه اشباع آن زنجیره ها. در آزمایشات خود، این تیم خواص احتراق منحصر به فرد FAME را نسبت به بیودیزل سویا معمولی، با FAME منحصربه‌فرد که طول زنجیره کربنی کوتاه‌تری دارد، درجات مختلف اشباع آن زنجیره‌ها و وجود یک گروه هیدروکسیل را ارزیابی کردند. موجود در متیل استرهای اسید چرب معمولی.
این تفاوت‌ها در سطح مولکولی ممکن است کوچک به نظر برسند، اما می‌توانند تفاوت را در میزان احتراق و انتشار گازهای گلخانه‌ای موتور در دنیای واقعی و همچنین توانایی سوخت توسط توزیع‌کنندگان و کاربران سوخت ایجاد کنند.
کیفیت هایی که می توانند تحت تاثیر قرار گیرند عبارتند از مقاومت در برابر اکسیداسیون (پایداری اکسیداسیون)، دمایی که در زیر آن سوخت بلورهایی ایجاد می کند که می تواند فیلتر سوخت را مسدود کند (نقطه ابری)، و واکنش پذیری سوخت برای احتراق (عدد ستان). این ویژگی‌ها تنها برخی از مواردی هستند که باید برای استفاده در موتورهای دیزلی کافی (یا مناسب برای هدف) باشند.
برای اندازه گیری و شناسایی خواص فیزیکی و عملکرد در FAME منحصر به فرد، محققان انواع و مخلوط های مختلف مواد را مقایسه کردند. ابتدا، آنها خواص یک ترکیب منحصربه‌فرد FAME تولید شده از طریق فرآیند باکتری ژنوماتیکا مخلوطی از حدود 10 درصد بتا هیدروکسی FAME با FAME معمولی که طول زنجیره کوتاه‌تر و پیوندهای دوگانه کربن-کربن کمتری نسبت به بیودیزل معمولی داشت را با بیودیزل معمولی مقایسه کردند. بیودیزل مشتق شده از روغن سویا، برای درک اینکه آیا این ترکیب دارای مزایا یا کمبودهایی است یا خیر.
سپس، آنها خواص تقریباً خالص بتا هیدروکسی FAME را با مولکول‌های مشابه FAME که گروه هیدروکسیل نداشتند، مقایسه کردند. این مقایسه به آنها اجازه داد تا چگونگی تأثیر گروه بتا هیدروکسیل بر خواص سوخت و احتراق را ارزیابی کنند.
این تلاش‌های آزمایشگاهی و مدل‌سازی سینتیک شیمیایی تیم به ایجاد زمینه برای آزمایش‌ها و مدل‌سازی‌های احتمالی موتور در آینده کمک می‌کند.
سماح محمد، محقق سوخت و احتراق NREL، گفت: “شما فکر می کنید، “اگر من می خواهم یک سوخت را آزمایش کنم، باید آن را در یک موتور آزمایش کنم.” اما آزمایشات موتور بسیار پیچیده است. بنابراین، برای درک ویژگی‌های احتراق سوخت، آزمایش‌های اساسی را در شرایطی شبیه به موتورها، همراه با شبیه‌سازی جنبشی شیمیایی انجام می‌دهیم.
یکی از این آزمایش‌ها شامل اندازه‌گیری زمان تأخیر احتراق است، که زمان لازم برای احتراق مخلوط سوخت و هوا، تعیین عدد ستان سوخت است. آزمایش دیگری توزیع گونه های تولید شده را ارزیابی می کند، برای شناسایی ترکیبات تشکیل شده در طی احتراق، و به پیش بینی ویژگی های انتشار سوخت کمک می کند.
محمد نویسنده اصلی مقاله دیگر، “اثر گروه β-هیدروکسی بر واکنش استر: سینتیک احتراق متیل هگزانوات و متیل 3-هیدروکسی هگزانوات” است که در Combustion and Flame منتشر شده است.
مدل‌های سینتیک شیمیایی مانند مدلی که محمد و تیمش از FAME منحصربفرد ایجاد کردند، گامی ضروری برای درک نه تنها نحوه رفتار یک سوخت، بلکه چرایی آن است. درک “چرا” می تواند به ساده سازی تحقیقات در مورد سوخت های جدیدی که در آینده آنلاین می شوند کمک کند که ممکن است ویژگی های فیزیکی مشابهی داشته باشند و بنابراین می توان پیش بینی کرد که به روش های خاصی رفتار کنند.
برای اثبات اعتبار مدل سینتیک شیمیایی که محمد و همکارانش ساخته‌اند، محققان پیش‌بینی‌های مدل خود را با داده‌هایی که از آزمایش‌های راکتور جریان بنیادی اولیه قبلی و اندازه‌گیری‌های زمان تاخیر اشتعال جمع‌آوری کرده‌اند، مقایسه کردند. سپس، شباهت ها و تفاوت های بین مدل منحصر به فرد FAME خود و مدل موجود از بیودیزل معمولی را مورد مطالعه قرار دادند.
محققان دریافتند که نتایج آنها مخلوط است اما در نهایت مشخص شد که FAME منحصر به فرد دارای برخی خواص احتراق و شیمیایی است که می تواند آن را به سوخت بهتری نسبت به بیودیزل سویا معمولی تبدیل کند. علاوه بر این، طول زنجیره کوتاه تر و درجه اشباع بالاتر FAME در مقایسه با بیودیزل معمولی، نقطه جوش را کاهش می دهد و عدد ستان را افزایش می دهد که منجر به احتراق بهتر می شود، به خصوص برای استفاده از FAME منحصر به فرد در 100٪ (بدون مخلوط شدن با گازوئیل نفتی).
گروه بتا هیدروکسی اضافی یک چالش را ارائه کرد. مهم‌تر از همه، محققان دریافتند که FAME منحصربه‌فرد در ذخیره‌سازی سریع‌تر اکسید می‌شود، که می‌تواند منجر به مشکلاتی در عملکرد موتور شود. اکسیداسیون می تواند باعث ایجاد رسوب در موتورها شود که باعث کاهش راندمان و ایجاد انسداد می شود. تیم تحقیقاتی مشکوک است که استر بتا هیدروکسی ممکن است علت باشد.
در مقالات، محمد، مک کورمیک و سایر نویسندگان از NREL، دانشگاه ایالتی کلرادو، دانشگاه پرینستون و اکسون موبیل راه‌حل‌های بالقوه‌ای را شناسایی می‌کنند که باعث می‌شود FAME منحصربه‌فرد به عنوان یک سوخت کار کند – برای مثال افزودنی‌های آنتی‌اکسیدانی، یا تولید میکروب‌های مهندسی‌شده. سوخت مشابه FAME منحصر به فرد اما بدون استرهای بتا هیدروکسی (بله، این امکان پذیر است). با این حال، تصمیم نهایی بر عهده تولیدکنندگان، توسعه دهندگان محصول و کسانی است که سوخت های جدید را تایید می کنند.
برای این گروه از محققان، توانایی انجام تحقیقات اساسی برای مطالعه احتمالات و کمک به تصمیم گیری در مورد طراحی و تولید سوخت به اندازه کافی رضایت بخش است.
محمد گفت: «استفاده از بسیاری از مهارت‌ها و دانش خود در توسعه مدل‌های جنبشی برای کمک به تسریع غربالگری سوخت‌های پیشنهادی جدید، چیزی است که مرا به حرکت در می‌آورد.» “محققان سوخت های زیستی به طور مداوم در حال نوآوری در فرآیندهایی برای تولید سوخت های جایگزین بالقوه هستند، و مهم است که مطمئن شویم این سوخت ها واقعا کار می کنند.”
