NOx-Reduzierung durch das Emulgieren von Öl und Wasser

Stickoxide (NO_x) sind dafür bekannt, dass sie sich auf die menschliche Gesundheit und auf die Umwelt schädlich auswirken. Mobile wie auch feststehende Diesel- und Benzinmotoren tragen stark zum weltweiten Ausstoß an NO_x-Gasen bei. Das Emulgieren mittels Ultraschall bietet eine effektive Methode, um sehr feine Kraftstoff-Öl-Emulsionen herzustellen.

Autos und LKWs, Flugzeuge, Stromgeneratoren, Gabelstapler, Klimaanlagen, Durchlauferhitzer, etc. erzeugen durch die Verbrennung von Erdölprodukten große Mengen an Feinstaub (Aerosole) und NO_x. NO_x zählt zu den Gemischen aus Stickoxiden (NO) und Stickstoffdioxiden (NO₂) ebenso wie N₂O, NO₃, N₂O₄ und N₂O₅. Stickstoffoxide und Stickstoffdioxide tragen zur Entstehung von bodennahem Ozon und Smog bei und sind für den Menschen und die Umwelt gefährlich. In den Umweltschutzverordnungen werden die Luftverschmutzungs-Emissionen mit verschärften Richtlinien angegangen. Die Emissionen von Motoren enthalten aufgrund der Schwefelanteile in Treibstoffen auch Schwefeldioxide (SO₂). Der Gehalt und die dadurch entstehenden Probleme können durch die Hydroentschwefelung oder die ultraschallunterstützte Entschwefelung verringert werden.

Öl-Wasser-Emulsionen

Innerhalb der letzten Jahre wurde hinsichtlich des Einflusses von Wasser auf die NO_x-Emissionen viel geforscht. Dabei wurden zahlreiche Volumenverhältnisse von Öl:Wasser-Gemischen getestet. Untersucht wurden die Verbrennungseigenschaften von Öl:Wasser-Gemischen mit Verhältnissen von 1:1 bis 19:1. In den meisten Fällen wurden 1 bis 2% (Volumenprozent) grenzflächenaktiver Stoffe beigefügt, um die Emulsion zu stabilisieren.

Hintergrundinformationen zur Verbrennung

Die Verbrennung von Treibstoff erzeugt thermische und mechanische Energie. Die mechanische Brechung kann dazu genutzt werden, um Kolben oder Turbinen für die Treibkraft- oder die Stromerzeugung zu betreiben. In den meisten Motoren wird die thermische Energie nicht genutzt. Daraus resultiert eine geringere thermodynamische Effizienz.

Ungefähr 90% des NO_x, das bei der Treibstoffverbrennung entsteht, ist NO. Das NO bildet sich in erster Linie durch die Oxidation von atmosphärischem Stickstoff (N₂). Dem Benzin zugefügtes Wasser senkt sie Verbrennungstemperatur, da das Wasser verdampft und der Flüssigkeit und der Umgebung Wärme entzogen wird. Wenn das Wasser in der Öl-Wasser-Emulsion verdampft, verdampft auch der Treibstoff in der Umgebung. Dadurch wird die Oberfläche des Treibstoffes vergrößert. Die niedrigere Temperatur und die bessere Treibstoffverteilung führen damit zu einer geringeren Bildung von NO_x.

Emulgieren mit Ultraschall

Dass das Einbringen von Wasser in die Treibstoffverbrennung den NO_x-Ausstoß senkt, konnte in zahlreichen Forschungsarbeiten dargelegt werden. Es gibt zwei Methoden, das Wasser zuzufügen und somit eine Öl-Wasser-Emulsion herzustellen:

unstabilisiert: Emulgieren von Wasser in Öl in einem Inline-Prozess vor der Einspritzung
stabilisiert: Herstellung einer beständigen Öl-Wasser-Emulsion, die als Alternative für Einspritzbenzin genutzt wird

Canfield (1999) fasst die NO_x-Reduzierung mit Hilfe von Wasser und anderen Zusätzen wie folgt zusammen:

unstabilisierte Emulsion
- zugesetztes Wasser ein Vol%: 10 bis 80%
- erreichte NO_x-Reduzierung mit: 4 bis 60%
stabilisierte Emulsion
- zugesetztes Wasser ein Vol%: 25 bis 50%
- erreichte NO_x-Reduzierung mit: 22 bis 83%

Emulsion

Eine Emulsion ist eine Mischung von Flüssigkeiten, die sich normalerweise nicht vermischen lassen (Phasen), so wie z. B. Öl und Wasser. Während des Emulgierens wird die disperse Phase (z. B. Wasser) in die flüssige Phase (z. B. Öl) eingebracht. Durch das Anwenden von hohen Scherkräften, wird die Partikelgröße (= Tropfengröße) der dispersen Phase reduziert. Je kleiner die Partikel sind, umso stabiler ist die Emulsion. Zusätzliche Stabilität kann durch das Zusetzen von oberflächenaktiven Stoffen oder Stabilisatoren erreicht werden. Klicken Sie auf die oben stehende Grafik, um die Probenergebnisse für das Emulgieren von 10% Wasser in Motoröl (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg Deutschland) anzusehen. Diese Studie wurde Behrend und Schubert (2000) durchgeführt.

Ultraschall

Werden Flüssigkeiten mit hoher Intensität beschallt, erzeugen die Schallwellen im flüssigen Medium alternierende Hochdruckzyklen (Kompression) und Niederdruckzyklen (Rarefaktion), deren Schwingungsrate von der Frequenz abhängt. Während eines Niederdruckzyklus bilden die hochenergetischen Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Erreichen diese Blasen ein Volumen, bei dem sie keine weitere Energie absorbieren können, platzen sie während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Während der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5000K) und Drücke (ca. 2000atm) erreicht. Zudem entstehen durch die Implosion der Kavitationsblasen Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s.

Ultraschall hat sich durch seine hohen Scherkräfte, die durch die Ultraschallkavitation entstehen, bei der Herstellung sehr homogener Emulsionen von Wasser in Öl (w/o) und Öl in Wasser bewährt. Da die Parameter beim Beschallen genau kontrolliert werden können, sind die Partikelgröße und die Partikelverteilung gut einstellbar und wiederholbar. Normalerweise wird der Ultraschall in einem Durchflussreaktor angewendet. Dadurch kann die Emulsion in einem kontinuierlichen Inline-Verfahren hergestellt werden. Aus diesem Grund kann Ultraschall sowohl für die Herstellung stabilisierter als auch unstabilisierter Emulsionen verwendet werden.

Die unten stehende Tabelle gibt einen generellen Überblick über Prozesskapazitäten von Ultraschall auf verschiedenen Leistungsstufen an.

Durchflussrate	benötigte Leistung
100 bis 400l/h	1kW, z. B. UIP1000hd
400 bis 1600l/h	4kW, z. B. UIP4000
1,5 bis 6,5m³/h	16kW, z. B. UIP16000
10 bis 40m³/h	96kW, z. B. 6xUIP16000
100 bis 400m³/h	960kW, z. B. 60xUIP16000

Entgasen und Entschäumen mittels Ultraschall

Des Weiteren Ultraschall kann auch dazu beitragen, die Menge der Luftblasen in einer Emulsion zu reduzieren. Die Bilder rechts zeigen den Effekt von Ultraschall auf den Blasengehalt (die Bilder wurden jeweils in einem Abstand von 5 Sek. aufgenommen). Da ein variierender Gehalt an Blasen Schwankungen bei der Einspritzzeit verursacht, kann das Entgasen, Entlüften und Entschäumen mittels Ultraschall die Motorenleistung erhöhen.

Das Ultraschall-Equipment

Hielscher ist der weltweit führende Anbieter von Hochleistungs-Ultraschallgeräten. Da Hielscher Ultrasonics Ultraschallprozessoren von bis zu 16kW Leistung je Gerät herstellt, gibt es keine Begrenzungen für die Anlagengröße oder die Prozesskapazität. So werden Cluster aus mehreren 16kW-Systemen eingesetzt, um große Volumina von Einspritzbenzin herzustellen. Bei der industriellen Treibstoffherstellung wird nicht viel Ultraschallenergie benötigt. Der spezifische Energieaufwand kann mit einem 1kW-Gerät im Technikums-Maßstab ermittelt werden. All die Ergebnisse, die in den Versuchen im Technikums-Maßstab erreicht wurden, können problemlos hochskaliert werden.

Die Kosten für Ultraschall

Das Beschallen stellt eine effektive Prozesstechnologie dar. Die Ultraschallprozesskosten entstehen hauptsächlich durch die Ausgaben für die Ultraschallprozessoren, die Nutzungskosten und die Wartung. Die außerordentliche Energieeffizienz (siehe Grafik) der Hielscher Ultraschallgeräte hilft die Betriebskosten zu senken.

Literaturverweis

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): Effects of Diesel-Water Emulsion Combustion on Diesel Engine NO_x Emissions, in: Master Thesis presented to the graduate school of the University of Florida, 1999.