T U Delft. ... t~~:e -tl /l e (3c/(fe./ /er:~.. ç(e... 0~... onderwerp: Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp van

Transcriptie

1 F.V.O. Nr. 3C>-<-9 Vakgroep Chemische Procestechnologie Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp van t~~:e -tl /l e (3c/(fe./1 7:~ : i... ;Sd /er:~.. ç(e.... 0~ onderwerp:... v:1lt.c/.{l;~!lcé.. {L.{!-?.. Çl?i/( ' o.~~' l.qs.x:ji ?"'/e L /Lcle 2 S-1 2Ó 1/ SZt! J)e tri"; o :) - /46 6Jó Voc-t)/taa-.i 4Z z.6 /1 ~ :;Jet;!! o/s- /3/412..J,}~'( T U Delft Technische Universiteit Delft opdrachtdatum : / verslagdatum : 2. J - 6 -,c] 3 Faculteit der Scheikundige Technologie en der Materiaalkunde

2

3 NHOUDSOPGA VE Samenvatting en conclusie 11.1 Methanol als autobrandstof.2 Fabrieksontwerp voor fuel-grade methanol DEEL nleiding methanol als autobrandstof V Motoren V.1 M100 in Otto-motoren V.2 FFV Flexible Fuel Vehicle V.2.1 Voorbeelden van toepassing V.3 Methanol in dieselmotoren V.3.1 Autobussen V Voorbeelden van toepassingen V.3.2 Methanol in dieselmotoren in vrachtwagens V.3.3 Personenauto's met een dieselmotor V A Gedissocieerde methanol motor V Brandstofspecificaties DEEL 11 V nleiding fabrieksontwerp V Uitgangspunten voor het ontwerp V. 1 Exogene gegevens V Capaciteit V. 1.2 Specificaties van grondstoffen, hulpstoffen en product V.2 Endogene gegevens V.2.1 Fysische constanten V.2.2 Veiligheidsaspecten V Methanol V.2.3 Materiaalkeuze met betrekking tot corrosie-aspecten V Beschrijving van het proces V. 1 De voedingssectie Vill.2 De reformersectie Vill.3 De methanolsectie VillA De spui- en stoomopwekkingssectie Vill.5 De destillatiesectie X Procescondities X. 1 Thermodynamica X.2 Aannamen bij de berekeningen X.3 De reformersectie X.3.1 De stoomreformer X.3.2 De katalytisch partiële oxidator X.3.3 Koolafzetting XA De methanolsectie X.5 Destillatiesectie X.6 De zuurstofsectie X Warmte- en massabalans X. Massabalans X.2 Warmtebalans

4 X Economische evaluatie XL! Kosten XL!.! KA : Algemene kosten X. 1.2 KP: Productievolume afhankelijke kosten X. 1.3 KV: Verzekeringskosten X. 1.4 Rr: Jaarlijkse afschrijving XL 1.5 Kkat: Katalysatorkosten XL 1.6 Kloon: Arbeidskosten XL. 7 Konderh.: Onderhoudskosten XLl.8 KO ndirecte productiekosten of plant overhead X.2 Opbrengst X.3 Winst/verlies XSymbolenlijst X Literatuurlijst Bijlagen 1. Fysische eigenschappen van methanol, benzine en diesel 2. ProcesschemaJflowdiagram 3. Massa- en warmtebalans 4. nvesteringsgegevens 5. Overzicht specificatie apparatuur 6. MEDA flowschema 7. Uitvoer programma

5 11. SAMENVATTNG EN CONCLUSE 11.1 Methanol als autobrandstof n het eerste gedeelte van dit fabrieksvoorontwerp is een literatuurstudie gedaan naar methanol als autobrandstof. Van alle alternatieve brandstoffen voor het wegverkeer is methanol waarschijnlijk één van de meest veelbelovende, zeker op korte termijn. Er zijn verschillende toepassingen mogelijk: 1. in Otto- of benzinemotoren i. alleen methanol (Ml00 motoren) ii. een mengsel van 0-85% methanol en benzine (Flexible Fuel Vehicles) 2. methanol in dieselmotoren 3. gedissocieerde methanol in een dissociatiemotor Voor elke toepassing is gekeken naar het brandstofverbruik, de aanpassingen aan de motor en het brandstofsysteem en het stadium van ontwikkeling hiervan, emissies van schadelijke stoffen alsmede de kans op invoering van elke toepassing. Omdat de brandstofkosten per te rijden kilometer voor methanol duurder zijn dan die voor benzine of diesel, is tevens voor elke toepassing uitgezocht in hoeverre de methanol water en hogere alcoholen mag bevatten, wat de methanol productiekosten zou kunnen drukken. De Flexible Fuel Vehicles (FFV's) en de dieselmotoren worden op kleine schaal al gebruikt voor normaal transport. Ml00 motoren zijn nog niet op kleine schaal produceerbaar. De ontwikkeling aan deze motoren is halverwege de jaren 80 stopgezet omdat FFV's een veel grotere kans van invoering hebben. De dissociatiemotoren bevinden zich nog in een pril stadium van ontwikkeling. Op basis van calorische waarde heeft methanol in Otto-motoren gemiddeld een efficiency van ongeveer 10% ten opzichte van benzine. Voor dieselmotoren is dit ongeveer 0%. Het gebruik van methanol draagt bij aan de reductie van schadelijke stoffen, in het bijzonder van koolmonoxide en vluchtige organische stoffen. De overall CO 2 -uitstoot ("weu to wheal") is voor methanol uit aardgas ongeveer even groot als die van benzine of diesel uit aardolie. De methanol voor FFV's en dieselmotoren mag maximaal 0.3% water bevatten. Voor Ml00 is dit 1 %. Daarnaast is de toegestane hoeveelheid hogere alcoholen 5% voor FFV's en 2% voor dieselmotoren en Ml00-motoren. Er zijn geen uitgebreide onderzoeken bekend naar het verband tussen prestaties van de motor en de specificatie van de methanol. 2

6 Op korte termijn maken de dieselmotor voor autobussen en de FFV (auto's) vanwege hun gebleken betrouwbaarheid de meeste kans op invoering. Een andere belangrijke overweging hierbij is, dat FFV's ook op benzine kunnen rijden wanneer geen methanol aan de pomp verkrijgbaar is en dat bussen vaak gebruik maken van een centraal distributiepunt voor hun brandstofvoorziening. Dit maakt een geleidelijke invoering van methanol mogelijk. Voor de in het tweede deel van dit fabrieksvoorontwerp te produceren fuelgrade methanol is echter gekozen voor de specificatie van de MWO-motor (1 % water en 2% hogere alcoholen) vanwege de laagste emissies en de meest progressieve brandstofspecificatie ten opzichte van water Fabrieksontwerp voor fuel-grade methanol n dit fabrieksvoorontwerp wordt een methanolfabriek ontworpen om fuelgrade methanol te maken. Fuelgrade methanol verschilt ten opzichte van de A- of AA-grade methanol door een hoger toegestane fractie hogere alcoholen en water (maximaal 1 % ). De fabriek werkt in de syngas-sectie met een gecombineerd stoomreformer/partieel oxidatie proces. Het voordeel van dit gecombineerd exotherm/endotherm proces is dat er uit de syngas-sectie de gewenste verhouding CH komt. Een ander voordeel is dat de exotherme partiële oxidatiereactor energetisch gunstig werkt; zijn warme uitgaande stroom (970 C) dient als energieleverancier van de endotherme stoomreformer. Een nadeel is dat dit een hogere investering met zich meebrengt, tevens ook doordat voor deze reactor pure zuurstof nodig is en dit in een bijbehorende zuurstofscheider gemaakt moet worden. De fabriek voorziet volledig in zijn eigen energie doordat tekorten worden aangevuld met extra verbranding van aardgas. Doordat fuel-grade methanol een minder zuiver hoeft te zijn, is een kleinere destillatie sectie nodig en heeft daardoor een lager energieverbruik. Dit is de winst ten opzichte van chemisch zuivere methanol. Het ontwerp van de fabriek beperkt zich tot een simulatie in het flowsheetprogramma TSFLO/MEDA, waarbij het basisconcept is aangeleverd door DSM-Geleen. Een stoomsysteem is verder niet uitgewerkt en wordt slechts weergegeven door een warmtewisselar zodat toch gewerkt kan worden met de benodigde hoeveelheid energiedie een volledig stoomsysteem nodig heeft. De fabriek heeft de volgende eigenschappen: De capaciteit is 761 k"1on per jaar Het energieverbruik is 29.1 GJ per ton methanol Er wordt 87% van het aardgas omgezet naar methanol

7 Een kostenberekening is gemaakt die uitdrukking geeft aan de grote van het verlies van deze fabriek: 103 Mfl. per jaar. De grondstofkosten bedragen 161 Mfl. terwijl de opbrengst slechts 152 Mfl. is. Deze opbrengst is gebaseerd op een prijs van fl. 200 per ton product. Bij deze prijs zijn de productiekosten van methanol en benzine per te rijden kilometer in auto' s gelijk. Er is een aantal mogelijkheden om het verlies te verkleinen: 1. stikstof uit de zuurstofscheider verkopen 2. verbetering conversie 3. fabriek in gebied waar aardgas goedkoper is, bijvoorbeeld in olieproducerende landen waar overtollig aardgas wordt afgefakkeld 4. een hogere productprijs, die mogelijk gemaakt wordt door stijging van de olieprijs of het heffen van een milieutax op benzine. Het doel van dit ontwerp was een globale indruk te krijgen van een fuelgrade methanol producerende fabriek. Het verdient dus aanbeveling dit project verder uit te werken. 4

8 DEEl) METHANOL ALS AUTOBRANDSTOF 5

9 111 NLEDNG METHANOL ALS AUTOBRANDSTOF Al sinds de jaren '30/'40 maakte men gebruik van methanol als brandstof in vliegtuigmotoren en race-auto's vanwege het gunstige acceleratiegedrag. n de tweede wereldoorlog reed men in Duitsland ook op methanol wegens het ontbreken van benzine. Dat methanol als motorbrandstof gebruikt kan worden, is dus al langere tijd bekend. Toch is pas in het begin van de jaren '70 gestart met vergaand onderzoek naar het gebruik van methanol als vervangende brandstof voor benzine of diesel. Tijdens de oliecrisis in die periode realiseerde men zich, voornamelijk in de Verenigde Staten, de afbankelijkheid van de olie. Op dat moment was het rendabel onderzoek te doen naar alternatieve brandstoffen omdat de olie erg duur was. Het is gebleken dat methanol een van de meest belovende alternatieven was (en nog steeds is). Bovendien was methanol te bereiden uit een aantal verschillende grondstoffen zoals: aardgas, steenkool, olie en suiker; zowel via chemische als biochemsiche weg. Later, toen de crisis voorbij was, was de directe noodzaak voor een alternatieve brandstof op korte termijn niet meer aanwezig en heeft men diverse onderzoeken gestaakt. De Verenigde Staten hebben echter het beleid voortgezet hun afbankelijkheid van olie te beperken. Ten eerste vanwege de politieke instabiliteit van het Midden Oosten en ten tweede vanwege de eindigheid van de olievoorraden. n Californië (maar ook in andere staten) bestond echter nog een probleem. Grote steden als San Francisco hadden erg veel last van smogvorming die voor een niet-onaanzienlijk deel werd veroorzaakt door de uitlaatgassen van automotoren. Bovendien maakte men zich zorgen over de steeds dunner wordende ozonlaag. Er werd een grootschalig onderzoeksprogramma opgesteld, waarin men (in eerste instantie) de ontwikkeling van voertuigen rijdend op alternatieve, schonere brandstoffen centraal stelde. Clbrandstoffen hadden in dit onderzoek de meeste belangstelling vanwege hun minimale uitstoot van roetdeeltjes bij verbranding, een belangrijke eigenschap in de strijd tegen smogvorming. n een later stadium - men hield zich toen bijna alleen nog met methanol bezig - werden voertuigen geoptimaliseerd op minimale uitstoot van CO, NO x en andere schadelijke stoffen. Een deel van het wagenpark van de overheid van Californië, waaronder ook stadsbussen, rijdt thans op (een mengsel met) methanol. De grote vraag waar fabrikanten en consumenten zich voor gesteld zien is: Kan methanol prijstechnisch concurreren met benzine op dit moment? Deze laatste vraag impliceert meteen een volgende vraag: Wat zijn dan de problemen die zich voordoen bij de invoering van methanol? Bij het beantwoorden van deze vraag gaan we gemakshalve uit van het feit dat je 1,8 maal zoveel methanol nodig hebt als (super-)benzine om hetzelfde aantal kilometers te kunnen afleggen (n de beschouwing van diverse soorten motoren wordt dit getal onderbouwd). Aan de hand van een aantal kostenposten moet benzine vergeleken kunnen worden met methanol. Deze zijn: investering, grondstofkosten, distributiekosten, invoering van het systeem, motorkosten en energieverbruik voor productie. n de eerste vijf kosten kunnen we al een redelijk inzicht krijgen. Hieronder volgt een 6

10 kwalitatief inzicht dat in de loop van het onderzoek zal worden gekwantificeerd. [18] -investering: Een methanol fabriek is duurder dan een raffinaderij voor benzine. Het hangt dus van de rente van dat moment af hoe de investeringskosten meewegen in de rest van de kostprijs. -grondstof: De kosten van grondstof in methanol (aardgas) is,- afhankelijk van waar het gekocht wordt- goedkoper dan aardolie voor benzine per liter geproduceerde brandstof. -distributie: Methanol heeft een groter volume per energie-inhoud en dus hogere distributiekosten. -invoering: Elk nieuw systeem brengt hoge investeringskosten met zich mee. Benzine is er al en heeft deze kosten dus niet. Een ander punt is dat de vervanging van methanol als brandstof de bestaande brandstoffen zal verdringen en dus de olie import verminderen. Dit heeft weer een economische impact op de prijs van een vat ruwe olie. Hoe zullen de OPEC-landen reageren op deze nieuwe concurrentie? -Motor: De aanpassingen voor een methanol motor zijn relatief gering, vooral wanneer zij op grote schaal geproduceerd worden. Een belangrijk onderdeel van de kostenposten is het energieverbruik voor productie. Alle autofabrikanten doen hun ontwikkelingen en testen met chemisch zuivere methanol. Deze bezit een zuiverheid van minstens 99,85%. De vraag is, - en hier komen we bij één van de kernpunten van ons onderzoek,- moet brandstof methanol wel de chemische zuiverheid bezitten, of kunnen onzuiverheden uit het productieproces toegestaan worden bij de verbranding en kunnen misschien wel een aantalopwerkingsstappen weglaten worden. Het toestaan van hogere alcoholen bijvoorbeeld werkt besparend op de energie kosten van de destillatie. Opvallend is dat methanolproducenten melding maken van een fuel-methanol die minder zuiver hoeft te zijn dan chemische-zuiver methanol, maar nergens worden testen gedaan met die fuel-methanol in methanol motoren. Volkswagen bijvoorbeeld verklaarde geen enkele test te hebben gedaan met een methanol anders dan chemisch-zuivere [19]. Wel heeft men vaak het watergehalte aangepast (verhoogd) omdat de aanwezigheid van water corrosie vermindert en de verbranding bevordert. De literatuur maakt echter zelden melding van andere toegestane onzuiverheden. Er worden nog wel wat noodzakelijke additieven toegevoegd. Wel maakt de literatuur melding van het gebruik van methanol als loodvervanger in benzine, waarbij de methanol soms met hogere alcoholen wordt gemengd om fasenscheiding tegen te gaan [31,32]. n sommige landen (in een deel van zuid talië bijvoorbeeld) wordt inderdaad een mengsel van methanol en hogere alcoholen tot een aantal procent bijgemengd bij benzine, zonder dat de auto's worden aangepast. Motortechnisch gezien heeft methanol ook een aantal voordelen. Bij lage vermogensbelasting kan methanol verbrand worden met meer lucht ("lean bum ") en heeft daardoor een betere benutting van de warmte die bij de verbranding vrijkomt. Ook kan bij methanolmotoren een hogere compressieverhouding worden toegepast vanwege zijn hogere klopvastheid; ook dit draagt bij tot een beter rendement. Zowel benzinemotoren als 7

11 dieselmotoren zijn betrekkelijk makkelijk aan te passen voor het gebruik van methanol als brandstof. De belangrijkste aanpassingen zijn: (ander) ontstekingsmechanisme, andere luchttoevoer, zwaardere brandstofpomp, het gebruik van corrosiebestendig materiaal in tank en leidingen, andere filters en een grotere brandstoftank. Dit laatste is noodzakelijk omdat methanol een lagere calorische waarde heeft per volume-eenheid dan benzine (of diesel), zodat meer brandstof per afgelegde kilometer nodig is. Er zijn echter ook een aantal nadelen. Door de hogere verdampingswarmte van methanol ontstaan er, wanneer hier geen voorzieningen voor worden getroffen, problemen bij het starten van een koude motor. Ook blijkt de formaldehyde uitstoot groter dan die van benzine. Onder invloed van UVstraling is dit toxisch en kan kanker veroorzaken (n de VS worden zo'n 75 sterfgevallen per jaar aan formaldehyde toegeschreven).van sommige katalysatoren wordt geclaimed dat ze deze formaldehyde-uitstoot kunnen terugbrengen naar nul [12]. Over de vraag in hoeverre het gebruik van methanol per gereden kilometer duurder is dan benzine of diesel lopen de schattingen uiteen van iets goedkoper tot 30% duurder [19,34,35]. De productiekosten van methanol en benzine zijn per kilometer even groot indien methanol voor fl 200 per ton. Deze prijs is gebaseerd op de productiekostan van superbenzine, fl9.19 per ton en een efficiency van methanol van 10% ten opzichte van benzine [34]. Er is onderzoek gedaan naar verschillende soorten motoren, die kunnen worden onderverdeeld in de volgende hoofdgroepen: 1. Mloo Motor rijdt op pure methanol volgens het principe van een benzinemotor 2. Meth. diesel Motor rijdt op pure methanol in een dieselmotor 3.FFV Motor is in staat op verschillende soorten methanol/benzine mengsels te rijden van 0% tot 85% methanol. 4. Gedissocieerd Door methanol eerst te dissociëren en daarna te verbranden wordt een hoger thermisch rendement verkregen. Deze verschillende motoren brengen allemaal hun eigen brandstofspecificatie, rendement, emissies en technische ontwikkeling met zich mee. Di t brengt ons tot een kernvraag van dit onderzoek. Welke soort motor wordt gekozen om een methanolfabriek voor te ontwerpen en op grond van welke criteria wordt deze motor gekozen. Er zijn een aantal belangrijke punten die direct hun weerslag vinden in de keuze van de motor: 1. kostprijs van methanol in vergelijk met de huidige brandstoffen. 2. grootte van de emissies van NOx, CO, formaldehyde en andere organische verbindingen 3. snelheid van het invoeren van methanol als alternatieve brandstof. sub 1. De kostprijs van een product is de belangrijkste reden voor het wel of niet produceren ervan door een commerciële instelling. 8

12 sub 2. Het wegverkeer is voor een aanzienlijk deel verantwoordelijk voor de uitstoot van schadelijke stoffen. De percentages zijn weergegeven in onderstaande tabel. 1 verbinding aandeel (%) CO 63 NOx 46 CÜ2 18 aerosolen 22 loodverbindingen 64 vluchtige org. 41 verbindingen SÜ2 3 Tabel 1. Aandeel van het wegverkeer in de totale emissies door menselijke activiteiten in Nederland (1989) [36]. Methanol als autobrandstof geeft in vergelijking met zowel benzine als diesel een veel lagere uitstoot CO en NOx. Er worden geen loodverbindingen uitgestoten en met behulp van geschikte katalysatoren kan zowel de uitstoot van aerosolen en formaldehyde tot vrijwel nul gereduceerd worden. Volgens Krumm [34] is de COx emissie in een zogenoemde "wel to wheel" analyse voor methanol ongeveer even groot als die van benzine of diesel. Wanneer methanol op grote schaal zou worden gebruikt als alternatieve brandstof, zou dit dus een niet onaanzienlijke bijdrage kunnen leveren aan reductie van enkele schadelijke emissies. Alhoewel de huidige brandstoffen aan de de vastgestelde maximale emissies voldoen, wordt echter steeds belangrijker de emissies te verminderen door de zwaarder wordende milieu-eisen. Dit zou kunnen worden uitgedrukt in een lagere accijns op methanol-brandstof zoals dat ook gedaan is met de katalysator. n Nederland gelden andere maximale emissiewaarden dan in de Verenigde Staten. Er is bijvoorbeeld geen standaard in de EEG voor de uitstoot van aldehyden. Dat komt omdat de nadruk in Europa meer op het tegengaan van de verzuring ligt [33]. De auto-industrie in de VS krijgt bepaalde voordelen wanneer zij nieuwe voertuigen op de markt brengen die voldoen aan de zgn. California Low Emission Vehicle Standards. Deze zijn onderverdeeld in 4 catagoriën, te weten (in volgorde van steeds lagere emissiestandaards ) TLEV, LEV, ULEV en ZEV, wat respectievelijk voor Transitional Low -, Low -, Ultra Lowen Zero Emission Vehicle staat[9],[23]. sub 3. De overgang van benzine naar pure methanol brengt een aantal problemen met zich mee. Het veranderen van pompen en transportmiddelen kost tijd en geld. Waar je bij benzine maar één tankwagen nodig had, heb je er nu twee nodig. Ook zullen de motoren tijd nodig hebben in produktie te komen, zeker als het gaat om een totaal nieuw soort systeem. De gedissocieerde methanol reactor is hiervan een goed voorbeeld. Een oplossing zou kunnen zijn om een 9

13 motor te gebruiken die zowel op methanol als benzine rijdt zoals dat nu al gebeurt met LPGlbenzine auto's. Bij het gebruik van methanol motoren in bijvoorbeeld bussen [5] wordt dit probleem al een stuk eenvoudiger. Bussen tanken vaak op een bepaalde plaats in een stad en dus is de distributie minder omvangrijk. Alle bovenstaande punten hebben een duidelijke motivering vanuit verschillende invalshoeken bezien. De uiteindelijke keuze hangt dus voor een groot gedeelte af van de prioriteiten van de kiezer. 10

14 V. MOTOREN Bij het gebruik van Methanol als motorbrandstof kunnen we een viertal verschillende toepassingen waarnemen. Dit zijn de Ml00-, de FFV -, en de dieselmotor en de gedissocieerde methanol reactor. Zij onderscheiden zich in: efficiëntie, uitstoot van emissies, druk in cylinderkamer, samenstelling van de brandstof, ontstekingsmechanismen en maximaal koppel. Hieronder volgt een korte beschrijving van de verschillende werkingsprincipes van bovengenoemde toepassingen. V.l MlOO in Otto-motoren n principe zou het gebruik van methanol zonder bijmenging van benzine tot zeer hoge efficiënties kunnen leiden. Door de afwezigheid van benzine kan namelijk de motor zodanig aangepast worden dat de verbranding van methanol optimaal geschiedt ('lean burn'). De auto kan dan gekoeld worden met lucht, waardoor de radiator geheel uit de auto zou kunnen verdwijnen. en de auto lichter wordt. Uit literatuuronderzoek is gebleken, dat zo'n ontwerp nog niet is gerealiseerd. Het gebruik van Ml00 levert echter altijd een hoger koppel, snellere acceleratie en een hogere thermische efficiëntie. Uiteraard zijn de emissies van schadelijke stoffen (m.u.v. formaldehyde en methanol) bij het gebruik van methanol lager dan bij het gebruik van een methanol-benzinemengsel. Er is veel onderzoek gedaan naar mogelijke oplossingen voor koude-start problemen. Eén van deze oplossingen is natuurlijk het bijmengen van benzine. Andere oplossingen zijn het omzetten van methanol in dimethylether (DME ) volgens de exotherme reactie: <1> DME zou in situ gegenereerd kunnen worden in een zogenaamde" Cathalytic Gaseous Fuel Generator". Ook electrische verdampers maken starten bij temperaturen tot -15 C mogelijk. Electrische verdampers zijn weliswaar simpel en goedkoop, maar moeten 1 tot 2 minuten voorverwarmen voordat er gestart kan worden [37] Het probleem van moeilijke koude start is nu niet meer het niet kunnen starten van de motor bij lage temperaturen, maar het vinden van een geschik1:e oplossing die geschikt is voor massa-productie. Een ander probleem bij het gebruik van 'zuivere' methanol is de onzichtbaarheid van de vlam bij verbranding. Een testwagen van TNO is hierdoor geheel verbrand omdat deze brand te laat werd waargenomen. Bij het gebruik van methanol in FFV's speelt dit probleem uiteraard niet. Er bestaan 11

15 wel additieven die de vlam zichtbaar maken, maar zijn vaak kostbaar enlof er is veel van nodig (enkele procenten). n het begin van de tachtiger jaren had de Bank of America al haar gehele wagenpark op methanol rijden (deels MlOO,deels M85). Volgens prof. Othmer [10] reden de MlOO-auto's met een efficiëntie van 54% (!). Van een zo hoge efficiëntie wordt in geen enkel ander artikel melding gemaakt.helaas is het rapport van de Bank of America niet meer te achterhalen om na te gaan door welke aanpassingen een zo hoge efficiëntie werd bereikt. De Bank of America houdt zich nu (waarschijnlijk) niet meer bezig met methanol [24]. Een groot aantal autofabrikanten heeft zich tot ongeveer halverwege de jaren tachtig bezig gehouden met M 100 als brandstof. Auto's van o.a. Ford, Volkswagen[27], Toyota[38], Chevrolet, Porsche [25], Volvo en Saab [26,27]hebben bewezen dat het gebruik van M100 als brandstof mogelijk is. De vermelde efficiënties liggen beduidend lager dan die van de Bank of America, namelijk tussen de en 23%. Allen hebben hun onderzoeken in later jaren op het flexible fuel concept gericht en zich niet langer bezig gehouden met het optimaliseren van M100 auto's. Eén van de grootste overwegingen is hierbij geweest, dat methanol in de directe toekomst niet wereldwijd verkrijgbaar zal zijn, waardoor een FFV meer kans van slagen heeft. Wanneer een FFV geoptimaliseerd wordt voor M85, worden bepaalde problemen die bij M100 optreden verholpen (zichtbaarheid van de vlam, explosiegevaar in de tanks,koude start) zonder dat de positieve eigenschappen van het gebruik van methanol geheel verloren gaan (lean bum, hoge CR, lagere emissies) Voor het gebruik van 'zuivere' M100 in Otto-motoren is bekend, dat maximaal 1% water in methanol acceptabel is [20,21,22]. Een kleine hoeveelheid water bevordert zelfs de verbranding in de motor en gaat corrosie tegen. Een geschikte "fuel-grade methanol" voor M100 zou volgens Belgen [20] naast 1 % water ook tot 2% andere organische verbindingen dan methanol mogen bevatten, zoals hogere alcoholen en methyl ether. Daarnaast moeten uiteraard nog enkele andere additieven worden bijgemengd i.v.m. smeerbaarheid, zichtbaarheid van de vlam en anti-corrosie. De aanpassingen aan de auto benodigd voor het gebruik van M100 zijn hetzelfde als die voor een FFV (zie hoofdstuk V.2). Alleen een sensor kan, wanwege het ontbreken van benzine, achterwege gelaten worden. V.2 FFV Flexible Fuel Vehicle Een FFV is een auto die kan rijden op verschillende soorten mengsels van benzine en methanol. n de brandstofspecificatie wordt dit weergegeven als Mx, waarin x de hoeveelheid methanol is. De methanolconcentratie kan 12

16 variëren van 0 tot 85 volume%. Deze eigenschap biedt het perspectief een periode te kunnen overbruggen waarin de methanol benzine als brandstof zou kunnen vervangen. Een bijkomend voordeel is dat deze motoren minder last hebben van koude start problemen zoals dat het geval is bij auto's die rijden op pure methanol. De verhouding zuurstof: methanol/benzine in het brandstofmengsel is inherent aan de luchttoevoer via de carburateur. Dat betekent dat de verhouding van het mengsel gemeten moet kunnen worden middels een sensor in de brandstoftank. Een aantal methodes zijn hiervoor in gebruik. De meest toegepaste sensor is gebaseerd op het verschil in diëlectrische constante. Andere methodes maken gebruik van de optische eigenschappen van het mengsel of verschillen in geleidbaarheid. De informatie van de compositie sensor wordt samen met een aan de uitlaat metende zuurstof sensor verwerkt tot een output die bepaalt hoe de lucht/brandstof verhouding en de ontsteking moeten zijn om het mengsel optimaal te verbranden. De motor kan vanuit verschillende perspektieven worden ontworpen afhankelijk van met welke verhouding mengsel er het meest gereden gaat worden. Dit betekent dat de motor over de gehele range verhoudingen nooit optimaal zal werken. Een voorbeeld hiervan is dat de compressieverhouding altijd dusdanig laag moet zijn dat ook een 100% benzine mengsel niet gaat pingelen. Een bijzondere vorm van deze motor is de M85-motor, die speciaal ontworpen kan worden om alleen op M85 te rijden. n de jaren '80 is er veel onderzoek naar deze motor gedaan omdat men kon uitgaan van een gewone benzine motor die met betrekkelijk weinig aanpassingen geschikt te maken was voor methanol gebruik. Algemene aanpassingen voor een FFV zijn de volgende [29]: Brandstofsysteem: -Tank is bekleed met nikkel om hem geschikt te maken voor methanol. -Brandstofpomp moet meer kunnen verwerken per tijdseenheid. -Ander brandstoffilter -njectie systemen met hogere capaciteit Electronisch controle systeem -Microprosessor die luchttoevoer regelt als functie van de temperatuur van de motor en de brandstofsamenstelling -brandstofcel -evt. koude start systeem overig -andere motorolie -andere vonkpluggen met een groter warmte overdragend oppervlak 13

17 V.2.1 Voorbeelden van toepassing Een groot aantal autofabrikanten houden zich bezig met de ontwikkeling van een FFV -auto. n tabel 2 volgen een aantal van die auto's. Zij onderscheiden zich op een aantal hoofdkenmerken als: compressieratio, efficiëntie, uitstoot diverse producten, wel of geen katalysator, laagste koude starttemperatuur. T a bel 2 : een verge J ssen versc hll 1 en d e mo t oren. FFV CRl) Eff. 2 ) NO x CO alde- OMH- kataly- (%) (g/mi) hyde 3 ) CE 4) sator VW -golf/jetta ,0 13 0,12 0,12 Volvo740 12,5 11,5.1,0 2,2 0,21 aangepast Mercedes * 0,16 0,74 0,013 0,142 3-weg Hyundai ;1,51; 4 cil. 10 5,5 Honda; 2,11; 4 eil 8,8 3-weg Toyota corolla 11 14,8 0,1 1,45 0,009 0,14 oxidatie Mitsubishi Galant 9 3 0,296 0,012 0,172 warmup underfloor Ford LTD Crown 10,7 0,8 2,25 0,25 stock Victoria Nissan Stanza 8,5 7,4 0,1 1,66 0,014 0,11 underfloor 1) Compressieverhouding 2) Efficiëntie = 2 - # liters methanol met dezelfde kilometerinhoud als ]. benzine # liters methanol met dezelfde kilometerinhoud als 11. benzine Voorbeeld: Om 15 kilometer te rijden is 1 liter benzine nodig en 1,8 liter methanol. De efficiëntie is dan: (2-1,8)/1,8 = 11 % 3) voornamelijk formaldehyde 4) Organic Material Hydrocarbon Equivalent 5) Laagste Koude Starttemperatuur *speciaal geoptimaliseerd (geen melding van details in literatuur) Als specificatie voor de fuel-grade methanol voor FFV's wordt 0.5%water en 5% hogere alcoholen als maximum genoemd [13]. LKS CC) Lit. verw. [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [29] [30] 14

18 V.3 Methanol in dieselmotoren V.3.1 Autobussen De werking van een dieselmotor berust op het principe van spontane verbranding van de brandstof onder druk. Een dieselmotor wordt daarom ook wel een compression-ignitted engine genoemd. De neiging van een brandstof tot spontane verbranding komt tot uitdrukking in het cetaangetal. Diesel heeft een cetaangetal van 40 à 50 (afhankelijk van de samenstelling) terwijl het cetaangetal van methanol tussen 0 en 5 ligt. Het voornaamste criterium om een brandstof te gebruiken voor compressieontsteking is, dat de temperatuur in de cylinder na injectie en verdamping van die brandstof hoger is dan de temperatuur waarbij de stof spontaan verbrandt. Vanwege de lagere energie-inhoud per volume-eenheid moet er per run 2.3 keer zoveel methanol geïnjecteerd worden. Er moet dus een grotere hoeveelheid brandstof verdampen waarbij bovendien ongeveer 5 keer zoveel warmte voor nodig is in vergelijking tot diesel. De daling van de cylindertemperatuur is als gevolg hiervan zo'n 150 oe, ongeveer 10 keer zo groot als bij diesel. Bovendien is de temperatuur waarbij methanol spontaan ontbrandt ook ongeveer 150 oe hoger dan diesel. Als gevolg van deze twee effecten moet de temperatuur in de cylinder bij verbranding van methanol ongeveer 300 oe hoger zijn dan bij diesel. Verhoging van de compressieverhouding (er) verhoogt de inlaauemperatuur van de methanol in de cylinders, maar niet voldoende. n de praktijk is gebleken, dat deze 'spontane ontsteking' inderdaad gestimuleerd moet worden. Dit kan op verschillende manieren: 1. Door methanol methanol met de lucht te mengen (fumigatie) en dit vervolgens met behulp van een kleine hoeveelheid diesel te ontsteken. Dit werkt weliswaar goed [4], maar vereist twee aparte bnmdstoftanks en -toevoersystemen. Dit is een dure oplossing. 2. Door het toevoegen van ontstekingsverbeteraars, zoals sommige nitraten met een hoog cetaangetal. Deze ontstekingsverbeteraars maken de brandstof aanzienlijk duurder. 3. Met behulp van electrische energie. a) door het plaatsen van een gloei plug wordt de cylinderwand opgewarmd. Een zgn. gloeiplugcontroller regelt de temperatuur in de cylinderwand. b) door het gebruik van een bougie die door electrische lading een vonk genereert waardoor de methanol ontbrandt. Door deze twee toepassingen is de dieselmotor eigenlijk een soort OUomotor geworden. Deze twee mogelijkheden zijn het meest veelbelovend en worden al toegepast. Naast één van bovengenoemde manieren om de ontsteking te verbeteren, moeten de volgende aanpassingen in een dieselbus gemaakt worden voor het gebruik van methanol: 15

19 - tank en brandstofleidingen moeten resistent zijn tegen methanol, bijvoorbeeld door ze te voorzien van een teflonlaag. De tank kan ook van roestvrijstaal worden gemaakt. - vanwege de lagere energie-inhoud per volume-eenheid van methanol moet het volume van de brandstoftank groter worden. - ander type katalysator om uitstoot van schadelijke stoffen verder te te reduceren. - andere afstelling van de kleppen voor een hogere compressieverhouding (CR). Een hogere CR geeft een hogere temperatuur bij injectie in de cylinder en verlaagt door volledigere verbranding de uitstoot van schadelijke stoffen. - andere injectiepompen die grotere hoeveelheden brandstof kunnen toevoeren. Aan de methanol moet bovendien één of meerdere additieven worden toegevoegd om corrosie tegen te gaan, de smeerbaarheid te bevorderen en injectieproblemen te voorkomen of tegen te gaan. Ook moet er een andere type motorolie gebruikt worden. Een belangrijke eigenschap van de?-e motorolie moet zijn, dat er wanneer zij in contact komt met de methanol niet of nauwelijks afzettingen ontstaan. (deze afzettingen verontreinigen de leidingen en kunnen de gloeipluggen of bougies verontreinigen.) V Voorbeelden van toepassingen Verschillende auto- en busfabrikanten hebben zich bezig gehouden - en zijn nog steeds bezig- met het ontwerpen van compression-ignited engines geschikt voor methanol. Hierbij is steeds uitgegaan van de reeds bestaande dieselmotoren. n de meeste gevallen was, en is nog steeds, het zo ver mogelijk reduceren van de uitstoot van schadelijke stoffen een hoofddoel in het ontwerp. Sommige van deze ontwerpen hebben geleid tot een geschikt model en worden gebruikt in bijvoorbeeld stadsbussen. Voor al in Californië, waar smogvorming in de grote steden en het steeds dunner worden van de ozonlaag een groot probleem vormen, dragen deze bussen niet alleen bij aan vermindering van de vervuiling maar hebben zij ook een voorbeeldfunctie: voertuigen die op methanol rijden dragen bij aan een schoner milieu. De 'Detroit Diesel Corporation' (DDC) [5,6], 'M.A.N.' [7] en Deutz AG [8] zijn voorbeelden van maatschappijen die methanol motoren hebben ontwikkeld die in stadsbussen worden toegepast. Zij maken alledrie melding van een efficiëntie van 0% of minder (bij laag vermogen). Er kan weliswaar een betere efficiëntie bereikt worden (van maximaal enkele procenten en ca. 0% bij laag vermogen), maar alleen wanneer er concessies gedaan worden aan de uitstoot en bijvoorbeeld de NOx-emissie zo hoog mag zijn als die van een dieselbus. Karakteristieke eigenschappen wat betreft emissies van deze drie bussen zijn weergegeven in tabel 3. 16

20 Tabel3 EmSSes van enkele stadsbussen rijdend op methanol [5,6,7,8] Comp. Standard DDC DDC Deutz AG M.A.N. (g/bhp ** M100 diesel M85 M100 h)* HC co PM Fonn *** 0.05 * gram per brake horsepower/hour ** 1993 Federal Urban Bus Standard USA n Californië zijn de eisen strenger *** voorstel 1) som van uitstoot organische gassen 2) roet/aërosolen (particulate matter) 3) fonnaldehyde ? ? 0.03 DDC 's 6V-92-TA-motor (6 kleppen, turbocharged, aftercooled) is uitgerust met gloei pluggen en een gloeiplugcontroller. n het nieuwste ontwerp worden de gloeipluggen alleen nog gebruikt bij het starten en opwannen van de motor (CR =23). De levensduur van deze gloeipluggen wordt hierdoor vele malen verlengd. Daar de gloeipluggen een zwakke schakel in het ontwerp vonnden, is hierdoor is ook de betrouwbaarheid van de bus aanzienlijk toegenomen. De katalysator is van keramisch monolitisch materiaal op platina-basis. Aan de methanol wordt slechts 0.06 massa% additief toegevoegd (Lubrizol Corp. additive). De methanol mag maximaal 0.3% water bevatten. Daarnaast zijn hogere alcoholen toegestaan tot maximaal 2 massa%. De 6V-92-TA methanol motor kan ook gebruikt worden voor M85 en mengsels van ethanol en benzine(!) n vergelijking met N.A.M. en Deutz AG (zie onder) is de methanolmotor van DDC de meest betrouwbare. M.A.N. maakt in haar M-2566 LUH en M-2566 MUH methanolmotoren gebruik van bougies als ontstekingsverbeteraar. Hoewel ook deze motoren op kleine schaal in stadsbussen worden toegepast, is de levensduur van sommige onderdelen zoals de bougie nog onbevredigend. n de nonnale uitvoering wordt een compressieverhouding van 18 gebruikt; in de turbo's een lagere CR van 15. Ook hier wordt een oxidatie-katalysator gebruikt voor beperking van de emissies. Opvallend aan deze motoren is, dat zij lijken te zijn ontworpen op minimale uitstoot van koolstofmonoxide (zie tabel 1). Koude-startproblemen worden door geen van beide maatschappijen ondervonden. Deutz maakt gebruik van gloeipluggen. De gerapporteerde emissies zijn wezenlijk hoger dan die van DDC en M.A.N., wat grotendeels te verklaren is door het gebruik van M85 in plaats van M