NOx-Reduktion durch Öl/Wasser-Emulgierung

Stickoxide (NO_x) sind bekanntermaßen unmittelbar gefährlich für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Mobile und stationäre Diesel- und Benzinmotoren tragen erheblich zu den weltweiten NO_x -Emissionen bei. Die Emulgierung des Kraftstoffs mit Wasser ist eine Möglichkeit, die NO_x -Emissionen von Motoren zu reduzieren. Die Ultraschallemulgierung ist ein wirksames Verfahren zur Herstellung feindisperser Kraftstoff/Wasser-Emulsionen.

Autos und Lastwagen, Flugzeuge, Stromgeneratoren, Gabelstapler, Klimaanlagen und Heizkessel erzeugen große Mengen an Feinstaub (PM) und NO_x durch die Verbrennung von Erdölprodukten. NO_x bezeichnet Gemische aus Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) sowie N₂O, NO₃, N₂O₄ und N₂O₅. Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid tragen zur Bildung von bodennahem Ozon und Smog bei und sind für Umwelt und Menschen gefährlich. Umweltvorschriften begegnen den Luftschadstoffemissionen durch eine Verschärfung der Grenzwerte. Motorabgase enthalten außerdem Schwefeldioxid (SO₂), das durch Schwefelverbindungen im Kraftstoff entsteht. Dieses Problem wird durch Hydrodesulfurierung oder ultraschallunterstützte Entschwefelung verringert.

Betrieb mit einer Kraftstoff/Wasser-Emulsion

In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Untersuchungen zum Einfluss von Wasser auf die NO_x -Emissionswerte durchgeführt. Verschiedene Kraftstoff:Wasser-Volumenverhältnisse von 1:1 bis 19:1 wurden hinsichtlich ihrer Verbrennungseigenschaften getestet. In den meisten Fällen wurden 1 bis 2 Volumenprozent Tensid zur Stabilisierung der Emulsion zugesetzt.

Hintergrund zur Verbrennung

Die Verbrennung von Kraftstoff erzeugt thermische und mechanische Energie. Der mechanische Anteil kann zum Antrieb von Kolben oder Turbinen für den Vortrieb oder die Stromerzeugung genutzt werden. In den meisten Motoren wird die thermische Energie nicht genutzt. Dies führt zu einem geringeren thermodynamischen Wirkungsgrad.

Etwa 90% der NO_x , die bei der Kraftstoffverbrennung entstehen, liegen als NO vor. NO entsteht hauptsächlich durch die Oxidation von atmosphärischem Stickstoff (N₂). Dem Kraftstoff zugesetztes Wasser senkt durch seine Verdampfung die Verbrennungstemperatur. Wenn das Wasser in der Kraftstoff/Wasser-Emulsion verdampft, wird auch der umgebende Kraftstoff verdampft. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche des Kraftstoffs. Die niedrigere Temperatur und die bessere Kraftstoffverteilung führen zu einer geringeren Bildung von NO_x.

Ultraschallemulgierung

Zahlreiche Arbeiten haben gezeigt, dass die Zugabe von Wasser bei der Kraftstoffverbrennung die NO_x -Emissionen senkt. Das Wasser kann durch die Bildung einer Kraftstoff/Wasser-Emulsion auf zwei Arten zugesetzt werden:

• unstabilisiert: Inline-Emulgierung von Wasser in den Kraftstoff vor der Einspritzung
• stabilisiert: Herstellung einer stabilen Kraftstoff/Wasser-Emulsion, die als direkt einsetzbare Kraftstoffalternative verwendet werden kann

Canfield (1999) fasst die NO_x -Reduktion durch den Einsatz von Wasser und anderen Additiven zusammen:

• unstabilisierte Emulsion
  • zugesetztes Wasser in Volumenprozent: 10 bis 80%
  • NO_x -Reduktion um: 4 bis 60%
• stabilisierte Emulsion
  • zugesetztes Wasser in Volumenprozent: 25 bis 50%
  • NO_x -Reduktion um: 22 bis 83%

Emulsion

Eine Emulsion ist ein Gemisch aus im Allgemeinen nicht mischbaren Flüssigkeiten (Phasen), beispielsweise Öl und Wasser. Während der Emulgierung wird die disperse Phase (z. B. Wasser) in die flüssige Phase (z. B. Öl) eingebracht. Durch die Anwendung von hoher Scherungwird die Partikelgröße (= Tröpfchengröße) der dispersen Phase reduziert. Je kleiner die Partikelgröße, desto stabiler ist die erzeugte Emulsion. Zusätzliche Stabilität lässt sich durch die Zugabe von Tensiden oder Stabilisatoren erzielen. Klicken Sie auf die Grafik oben , um beispielhafte Ergebnisse der Ultraschallemulgierung von 10% Wasser in Motoröl (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Deutschland) zu sehen. Diese Studie wurde durchgeführt von Behrend und Schubert (2000).

Ultraschall

Bei der Beschallung von Flüssigkeiten mit hohen Intensitäten erzeugen die Schallwellen, die sich in den flüssigen Medien ausbreiten, abwechselnde Hochdruckzyklen (Kompression) und Niederdruckzyklen (Expansion), deren Wiederholungsrate von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Während der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000K) und Drücke (ca. 2.000atm) erreicht. Die Implosion der Kavitationsblase erzeugt außerdem Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s.

Ultraschall erzeugt nachweislich sehr homogene Emulsionen von Wasser in Öl (w/o) und Öl in Wasser (o/w) durch die hohe kavitationsbedingte Scherung. Da sich die Parameter der Ultraschallbehandlung gut steuern lassen, können Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung gut eingestellt und reproduziert werden. Üblicherweise wird der Ultraschall in einem Durchflusszellenreaktor eingesetzt. Daher kann die Emulsion kontinuierlich inline hergestellt werden. Aus diesem Grund lässt sich die Ultraschallbehandlung zur Herstellung stabilisierter und unstabilisierter Emulsionen einsetzen.

Die folgende Tabelle zeigt allgemeine Verarbeitungskapazitäten für verschiedene Ultraschallleistungen.

Ultraschallentgasung und -entschäumung

Ultraschall hilft außerdem dabei, die Menge an Luftblasen zu reduzieren , die im Emulsionsgemisch enthalten sind. Das Bild rechts zeigt die Wirkung der Ultraschallbehandlung auf den Blasengehalt (Verlaufsbilder im Abstand von 5sec. von links nach rechts). Da Änderungen des Blasengehalts Schwankungen des Einspritzzeitpunkts verursachen, verbessert eine Entgasung, Entlüftung und Entschäumung durch Ultraschallbehandlung die Motorleistung.

Ultraschall-Prozessanlagen

Hielscher ist der führende Anbieter von Ultraschallgeräten mit hoher Verarbeitungskapazitätweltweit. Da Hielscher Ultraschallprozessoren mit bis zu 16kW Leistung pro Einzelgerät herstellt, gibt es keine Begrenzung der Anlagengröße oder der Verarbeitungskapazität. Verbünde aus mehreren 16kW-Systemen werden zur Herstellung großer Mengen direkt einsetzbarer Kraftstoffe verwendet. Die industrielle Kraftstoffverarbeitung benötigt nur wenig Ultraschallenergie. Der tatsächliche Energiebedarf kann mit einem 1kW-Ultraschallprozessor im Labormaßstab ermittelt werden. Alle Ergebnisse solcher Laborversuche lassen sich einfach auf größere Maßstäbe übertragen.

Kosten der Ultraschallbehandlung

Die Ultraschallbehandlung ist eine wirksame Verarbeitungstechnologie. Die Kosten der Ultraschallverarbeitung entstehen hauptsächlich durch die Investition
in Ultraschallgeräte, die Kosten für Energie und Betriebsmittel sowie die Wartung. Die herausragende Energieeffizienz (siehe Diagramm) der Ultraschallgeräte von Hielscher hilft, die Kosten für Energie und Betriebsmittel zu reduzieren.

Literatur

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): Auswirkungen der Verbrennung von Diesel-Wasser-Emulsionen auf die NO_x Emissions, in: Master Thesis presented to the graduate school of the University of Florida, 1999.