Pesquisa suíça com Dimetileter como combustível alternativo para camiões

A Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) está a investigar um novo conceito de propulsão com um motor de ensaio especial. Os veículos comerciais deverão, no futuro, emitir menos CO2 e, ao mesmo tempo, cumprir limites de emissões mais rigorosos. Muitos especialistas esperam que, por isso, o diesel fóssil possa enfrentar dificuldades em breve. Um possível combustível alternativo é o dimetileter. Esta substância ligeiramente volátil pode ser produzida a partir de energia renovável e queima de forma muito limpa.

(Dübendorf/St. Gallen/Thun) Operar uma frota de camiões é um negócio difícil. Há pouca romantização da vida de camionista, mas muito forte concorrência e elevada pressão sobre os preços. Leis ambientais cada vez mais rigorosas irão aumentar essa pressão nos próximos anos, em direção a uma redução das emissões de CO2 e a limites de emissões estritos, especialmente em relação aos óxidos de azoto (NOx). Se os operadores de camiões não adotarem a tecnologia mais recente, correm o risco de enfrentar taxas de portagem elevadas ou desvantagens fiscais em muitos países.

Alternativa Dimetileter

Muitos fabricantes e operadores de veículos comerciais estão agora a considerar propulsões alternativas para melhorar a sustentabilidade ambiental das suas frotas. No entanto, os sistemas de propulsão elétrica são pouco adequados para veículos comerciais em operação de longa distância: as baterias seriam demasiado pesadas, os tempos de carregamento demasiado longos e as potências de carregamento necessárias demasiado elevadas para uma utilização competitiva. O hidrogénio poderia resolver este problema: a partir de setembro de 2020, os primeiros camiões de células de combustível da Hyundai estarão em operação comercial na Suíça. Também está a ser investigado o gás natural sintético produzido a partir de eletricidade excedente de fontes renováveis: a partir de 2021, os primeiros camiões a gás natural serão abastecidos no demonstrador de mobilidade move da Empa. Mas há uma outra alternativa que poderia ser adequada para transportes de longa distância e merece uma análise mais aprofundada: o dimetileter.

Infraestrutura acessível, combustão limpa

A substância química dimetileter (DME) é produzida em escala de várias dezenas de milhares de toneladas anualmente. Este composto é utilizado como propelente em latas de spray e é um componente de refrigerantes em sistemas de refrigeração. Além disso, o DME é amplamente utilizado como intermediário na indústria química. A sua vantagem: pode ser produzido de forma económica e quase sem perdas a partir de metanol, que, por sua vez, pode ser obtido a partir de eletricidade de energia solar e eólica. Assim, o DME oferece a oportunidade de permitir que os camiões operem de forma neutra em CO2.
Outra vantagem: o DME possui propriedades semelhantes ao gás liquefeito. Ao contrário do hidrogénio, pode ser transportado e armazenado em forma líquida em tanques acessíveis sob baixa pressão; a tecnologia para esta infraestrutura de abastecimento é económica, amplamente conhecida e já utilizada há décadas. Como o oxigénio no dimetileter está quimicamente ligado, a substância queima de forma especialmente limpa e com baixa formação de fuligem.

Teste em um motor de camião modificado

No passado, já houve tentativas de usar dimetileter como combustível: a Volvo Trucks tem realizado desde 2013 testes práticos na Suécia e nos EUA com camiões experimentais movidos a DME. Na Alemanha, um projeto de pesquisa está em andamento desde 2016, coordenado pelo Ford Research and Innovation Center Aachen. O motor já foi instalado e testado em um Ford Mondeo.
Agora, a Empa, em conjunto com a FPT Motorenforschung AG Arbon, o Politecnico di Milano, o fabricante de lubrificantes Motorex e outros parceiros, irá construir sobre os conhecimentos adquiridos até agora. Desde o início de julho de 2020, um motor de ensaio está em operação em um banco de testes da divisão de sistemas de propulsão de veículos da Empa, que deverá fornecer dados fundamentados sobre os processos de combustão, eficiência e sustentabilidade ambiental do DME no setor de veículos comerciais.
«Conhecemos muito bem este motor», diz o líder do projeto, Patrik Soltic. «O bloco do motor é de um motor de veículo comercial Cursor 11 do fabricante FPT Industrial e tem sido utilizado por nós em diversos projetos de pesquisa nos últimos cinco anos. Nos últimos meses, fizemos a conversão para DME em parceria com a FPT.» Isso não foi uma tarefa fácil: o DME, sendo ligeiramente volátil, possui praticamente nenhuma propriedade lubrificante em comparação com o combustível diesel, o que poderia destruir rapidamente a bomba de alta pressão do sistema de injeção Common-Rail.

Operação sem aditivos no combustível

Os pesquisadores pretendem operar o seu motor de ensaio apenas com DME puro, sem a adição de aditivos lubrificantes, como era comum em projetos anteriores. Assim, em colaboração com um grande fornecedor europeu, foi desenvolvida uma nova bomba Common-Rail lubrificada a óleo. Além disso, as válvulas e os anéis de assento das válvulas foram adaptados a materiais compatíveis com DME. Um compressor elétrico para um retorno preciso dos gases de escape também será utilizado. Finalmente, as câmaras de combustão e a relação de compressão do antigo motor diesel também foram ajustadas. A nova forma das câmaras de combustão foi calculada com a ajuda de simulações matemáticas no Politecnico di Milano. O projeto de pesquisa é cofinanciado pelo Escritório Federal de Energia (BFE).

Operação simulada em autoestrada

«Agora queremos conhecer a máquina com o novo combustível», diz Soltic. Os pesquisadores começam com uma faixa de carga média comum em operação de autoestrada, onde o motor deve fornecer 100 kW de potência. «Depois, modificamos, entre outras coisas, o tempo e a pressão da injeção, analisamos os valores de emissões e o consumo de combustível.»
A grande vantagem da operação com DME, diz Soltic, é a oportunidade de transferir uma alta proporção de gases de escape para a próxima carga do cilindro em quase todas as condições de operação, através do chamado retorno de gases de escape (AGR). Esta técnica permite economizar muito NOx, o que alivia o sistema de purificação de gases de escape atrás do motor e permite cumprir futuros limites mais rigorosos com segurança. No diesel fóssil, altas taxas de retorno de gases de escape levam a um aumento das emissões de partículas, o que não acontece com o DME.
Durante a fase de teste, os pesquisadores da Empa estão constantemente a retirar amostras do óleo do motor para detectar alterações químicas. Os resultados são enviados ao parceiro do projeto Motorex, que utiliza os dados para desenvolver um novo óleo de motor adaptado especificamente para a operação com DME.

Pesquisa conjunta entre concorrentes

«Atualmente, ainda estamos na fase pré-competitiva do trabalho de pesquisa», explica Soltic. Os resultados do projeto são parcialmente públicos e são discutidos em conjunto entre os concorrentes na indústria automóvel. A plataforma para isso é a «International DME Association», fundada em 2001, com atualmente 50 membros da indústria e da pesquisa. «Mas, em algum momento, cada um quererá manter os seus resultados para si», sabe o pesquisador da Empa. «Então, é importante que dominemos a tecnologia para podermos fornecer contribuições valiosas como parceiros de pesquisa para a indústria.»

Combustível da fábrica ecológica

O dimetileter (DME), o combustível ecológico para motores de ignição por compressão, pode ser produzido a partir de hidrogénio e CO2. Se o hidrogénio utilizado for gerado a partir de energia renovável e o CO2 for extraído da atmosfera, os camiões poderiam operar praticamente sem emissões de gases de efeito estufa.
O pesquisador da Empa, Andreas Borgschulte, e a sua equipa estão a investigar processos químicos que permitam produzir DME da forma mais eficiente possível. A metodologia da catálise assistida por sorção é considerada promissora: os dois gases, hidrogénio e CO2, devem entrar em contacto com partículas de cobre ativas para se ligarem em metanol ou dimetileter. Como subproduto, é gerado água. Se a água for removida da mistura de reação, o equilíbrio químico desloca-se em direção ao produto. Em outras palavras: só então são produzidas as quantidades desejadas de metanol e dimetileter. Para remover a água, os pesquisadores da Empa utilizam zeólito, um mineral que absorve água.
Em experimentos de laboratório, a equipa de Borgschulte descobriu que a uma determinada temperatura, a partir de CO2 e hidrogénio, é principalmente o dimetileter que se forma, e apenas uma quantidade relativamente pequena de metanol. «A produção deste modo é, portanto, teoricamente possível», diz Borgschulte, acrescentando: «Infelizmente, o processo ainda não é muito produtivo neste momento.» Numa próxima etapa, o processo químico precisaria ser refinado e instalações adequadas desenvolvidas. Só então será possível avaliar se a produção de DME através de catálise assistida por sorção é economicamente competitiva. Os trabalhos de pesquisa foram realizados em colaboração com a Universidade de Zurique e fazem parte do projeto «LightChEC».

Foto/Grafik: © Empa

www.empa.ch