Como os combustíveis alternativos se comportam no frio extremo

Recentemente, o Power Progress relatou uma pesquisa feita pela Associação Canadense de Transporte Motorizado de Alberta (AMTA) sobre o uso de combustível de hidrogênio em temperaturas extremamente baixas.

Acontece que quando o mercúrio cai, outros combustíveis alternativos enfrentam desafios semelhantes.

Jeffrey D. Naber, professor Richard & Elizabeth Henes em Sistemas de Energia na Universidade Tecnológica de Michigan, usou diesel fóssil em motores de ignição por compressão como ponto de referência.

“O combustível diesel tem volatilidade relativamente baixa”, disse Naber. “Isso significa que é difícil vaporizá-lo e misturá-lo em baixas temperaturas. Ele tem algumas parafinas, então, normalmente, ele começa a encerar em baixas temperaturas.”

De acordo com Matt Leuck, gerente técnico de Transporte Rodoviário Renovável da América do Norte para a fabricante de combustível sustentável Neste, a operação em clima frio do óleo diesel é uma função dos tipos de moléculas que o combustível contém.

“Se você tem moléculas de diesel mais pesadas e de cadeia mais longa, elas vão gelificar mais rápido”, ele disse. “Se você tem moléculas de diesel mais leves e de cadeia mais curta, elas vão permanecer líquidas por mais tempo.”

Os aditivos permitem que o combustível diesel flua em temperaturas mais baixas para operação em climas frios, sem ser muito volátil para uso no verão, disse Naber, assim como outros métodos para promover a ignição.

“Nós confiamos no calor da compressão, além de potencialmente alguns outros mecanismos para obter as temperaturas no cilindro de modo que o combustível se auto-inflame”, disse ele.

HVO e biodiesel

Uma alternativa ao diesel fóssil em motores de ignição por compressão é o diesel renovável, também conhecido como óleo vegetal hidrotratado (HVO). Leuck disse que, embora as baixas temperaturas não possam realmente ser tratadas uma vez que o diesel renovável tenha sido produzido, muito pode ser feito no processo de refino para tratar da operação em clima frio.

Neste MY Renewable Diesel no posto de parada de caminhões da KW Rastall Oil em North Brunswick, NJ. A Neste anunciou recentemente uma parceria com o município de North Brunswick para permitir que todos os veículos e equipamentos a diesel do município mudem para diesel renovável. (Foto: KW Rastall Oil)

“Podemos basicamente dizer que queremos fazer esse tipo de combustível”, disse Leuck. “Podemos dizer que queremos fazer um ponto de nuvem de X, Y ou Z, e podemos acertar isso em qualquer dia da semana por causa da tecnologia que temos no processo de produção.”

Leuck acrescentou que o ponto de turvação é o ponto em que os cristais de cera começam a se formar.

Outra alternativa ao diesel fóssil é o biodiesel, que também é produzido a partir de matérias-primas semelhantes ao diesel renovável, mas por meio de um processo de refino diferente. De acordo com Naber, no entanto, ele não se comporta muito diferente do diesel fóssil no frio intenso.

“O biodiesel tende a ter longas cadeias [de hidrocarbonetos] e tende a se tornar encerado, assim como o óleo diesel, então ele tem um problema em baixas temperaturas”, disse Naber.

Leuck disse que, diferentemente do diesel renovável, o processo de refino do biodiesel, juntamente com os tipos de matérias-primas, limita o que os produtores podem fazer para adaptá-lo às temperaturas extremamente baixas.

“Eles só conseguem quebrar a matéria-prima, mas não conseguem colocar mais hidrogênio de volta naquela molécula de combustível”, disse Leuck, referindo-se ao processo de hidrotratamento em diesel renovável que cria hidrocarbonetos parafínicos. Ele acrescentou que o processo de biodiesel não permite a isomerização das moléculas, que é a etapa no processo de refino de diesel renovável que realmente define suas propriedades em climas frios.

Naber disse que os compostos parafínicos — aqueles de cadeia longa, cadeia reta ou isoparafínicos — têm um alto número de cetano.

“O número de cetano é sua capacidade característica de autoignição”, ele disse. “Então isso é bom. Quanto mais cetanos eu tiver, mais parafínicos eu tiver, menor será a temperatura [na qual] ele irá autoignitar.”

Ele acrescentou: “Dependendo de como o diesel renovável é produzido, normalmente — novamente, depende do processo — ele tende a ter mais desses hidrocarbonetos de cadeia longa que têm um número de cetano mais alto. Eles também têm menos capacidade de fuligem. Mas esses combustíveis normalmente têm pontos de enceramento mais altos.”

Opções de ignição por faísca

Combustíveis alternativos também estão disponíveis para motores de ignição por faísca. Um que é frequentemente usado é o etanol, que Naber disse que “tem baixa volatilidade, então também não é bom para partidas em baixas temperaturas”.

Ele acrescentou: “Poderíamos ir para combustíveis gasosos. A vantagem de um combustível gasoso é que não preciso vaporizá-lo.”

Tanto o gás natural liquefeito (GNL) quanto o gás liquefeito de petróleo (propano ou GLP) ainda vaporizarão em condições normais, mesmo em baixas temperaturas, disse Naber.

Um tanque de armazenamento de gás natural liquefeito (GNL). (Foto: Adobe Stock)

“Um dos desafios com o gás natural é que, como o ar, quando ele se expande, ele esfria”, disse Naber. “Eu tenho que expandi-lo do tanque de alta pressão, então o resfriamento pode ser bem significativo.”

Ele acrescentou que os trocadores de calor podem garantir que o combustível que entra no cilindro não fique muito frio.

Nos motores de combustão interna, Naber disse que o hidrogênio opera de forma semelhante.

“Preciso ter hidrogênio liquefeito armazenado criogenicamente, ou posso tê-lo em um tanque comprimido”, ele disse. “Ele não esfria tanto quando você o expande. Ele tem propriedades termodinâmicas diferentes.”

No entanto, assim como o gás natural e o GLP, ele não precisa ser vaporizado.

“Só preciso misturar — obter a quantidade certa com ar — e acender com uma faísca”, disse Naber.

O desafio com motores de ignição por faísca em baixas temperaturas é obter a mistura estequiométrica correta de combustível e ar no momento da ignição por faísca, disse Naber.

Apesar desses desafios, os motores são melhores do que muitas outras tecnologias para operar em condições de frio extremo.

“Se você pensar em um motor, ele pode operar em um conjunto extremo de temperaturas em comparação a praticamente qualquer outro dispositivo que você possa imaginar”, disse Naber. “Baterias têm desafios em baixas temperaturas. Células de combustível têm problemas em baixas e altas temperaturas. Então, um motor é bastante robusto à temperatura geral.”

Desafios na operação de caminhões movidos a hidrogênio em frio extremo Testes realizados pela Associação Canadense de Transporte Motorizado de Alberta (AMTA) identificaram quatro áreas principais de interesse.

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