Biodiesel di Cartamo: Etanolo Batte Metanolo? La Mia Incredibile Scoperta sui Motori Diesel!

Amici appassionati di motori e, perché no, anche di un pianeta un po’ più pulito, oggi voglio raccontarvi di un’avventura scientifica che mi ha tenuto con il fiato sospeso! Siamo tutti d’accordo che i combustibili fossili, per quanto abbiano alimentato le nostre economie per decenni, hanno i giorni contati, vero? L’inquinamento, l’esaurimento delle risorse… insomma, è ora di guardare avanti, verso orizzonti più verdi. E qui entra in gioco il biodiesel, una superstar tra le energie rinnovabili.

Ma non tutti i biodiesel sono uguali, e la mia curiosità mi ha portato a indagare su una fonte particolarmente interessante: l’olio di cartamo. Molti studi si sono concentrati sul biodiesel prodotto da quest’olio usando il metanolo (ottenendo i cosiddetti esteri metilici, o FAME). Il problema? Il metanolo spesso deriva da fonti fossili. E allora mi sono chiesto: perché non usare l’etanolo, che invece è prodotto in gran parte da biomasse e quindi è più “bio” dalla culla alla tomba (o meglio, al serbatoio)?

Così è partita la mia indagine sperimentale: confrontare le prestazioni, la combustione e le emissioni di un motore diesel alimentato con biodiesel da olio di cartamo a base di esteri etilici (FAEE, quelli con l’etanolo, per intenderci) e quelli a base di esteri metilici (FAME). E, ovviamente, ho messo tutto a confronto con il caro vecchio diesel ultra-basso zolfo (ULSD).

La Sfida nel Laboratorio: Mettere alla Prova i Carburanti

Immaginatevi un motore diesel a quattro cilindri, di quelli robusti, collegato a un generatore, che ronza costante a 1500 giri al minuto. L’ho sottoposto a diversi carichi di lavoro, dall’andare al minimo fino al 75% della sua potenza. Ho preparato diverse “pozioni magiche”:

• E100% (estere etilico puro)
• M100% (estere metilico puro)
• Miscele al 50% e al 20% di entrambi gli esteri con il diesel (M50, M20, E50, E20)
• E il nostro punto di riferimento, l’ULSD.

Ho ficcato il naso (elettronico, s’intende!) dentro la camera di combustione con sensori di pressione piezoelettrici per vedere come si comportava la pressione cilindro e il tasso di rilascio di calore (HRR). E poi, via di analizzatore di gas di scarico per misurare CO, HC, NOx e CO2. Un lavoraccio, ma ne è valsa la pena!

Dentro la Camera di Combustione: Pressione e Rilascio di Calore

Una delle prime cose che ho notato è che, in termini di pressione nel cilindro, tutti i carburanti si sono comportati in modo simile: più aumentava il carico sul motore, più la pressione saliva. Logico, no? Ma c’è un dettaglio intrigante: i carburanti a base di estere etilico (FAEE) hanno mostrato un inizio della combustione leggermente anticipato. Al contrario, l’estere metilico puro (M100) e il diesel hanno avuto un ritardo di accensione maggiore. Questo suggerisce che l’etanolo dia una “svegliata” più rapida alla combustione!

Analizzando il rilascio di calore (HRR), ho avuto conferme. L’inizio della combustione più precoce per i FAEE è un dato di fatto. Questo potrebbe essere dovuto al loro indice di cetano più elevato. Tuttavia, la loro maggiore viscosità potrebbe aver portato a una peggiore atomizzazione e quindi a valori di HRR leggermente inferiori rispetto al diesel, che grazie alla sua minore viscosità e maggiore densità energetica, ha mostrato caratteristiche di pressione superiori.

Prestazioni del Motore: Efficienza e Consumi

Parliamo di efficienza termica al freno (BTE), ovvero quanto bene il motore converte l’energia del carburante in lavoro utile. Qui, il diesel ha fatto la parte del leone, con un’efficienza del 27.6%. Le miscele di esteri, in generale, hanno mostrato un calo, in media fino all’8.49%. Ma attenzione! La miscela E50 (50% estere etilico e 50% diesel) si è piazzata subito dietro al diesel con un calo minimo, solo dell’1.8%! Sembra proprio che l’estere etilico abbia una marcia in più. In generale, le miscele diesel-estere etilico tendono ad avere una BTE migliore rispetto a quelle con estere metilico, soprattutto a carichi medi e alti. Questo è probabilmente dovuto al contenuto di ossigeno nel biodiesel che aiuta una combustione più completa.

Passiamo al consumo specifico di carburante al freno (BSFC), cioè quanto carburante serve per produrre un’unità di potenza. Anche qui, il diesel ha consumato meno. Gli esteri puri, soprattutto M100, hanno mostrato i consumi più alti (fino al 26.7% in più del diesel). Questo è dovuto alla loro minore densità energetica e maggiore viscosità. Tuttavia, la miscela E20 (20% estere etilico) si è comportata egregiamente ad alti carichi, con un BSFC solo del 3.3% superiore al diesel. Un risultato notevole!

Interessante anche il consumo massico di carburante (MFC): a bassi carichi, i carburanti a base di estere etilico hanno consumato meno massa rispetto a quelli metilici. Questo suggerisce che il biodiesel etilico bruci meglio a basse temperature, mentre quello metilico preferisca le alte temperature.

Emissioni allo Scarico: Un Occhio all’Ambiente

E veniamo al dunque: l’impatto ambientale. Le emissioni sono il campo di battaglia principale per i biocarburanti.

• Monossido di Carbonio (CO): Qui gli esteri, sia puri che in miscela, hanno generalmente battuto il diesel, producendo meno CO, in media fino al 13.4% in meno! La miscela M20 è stata la migliore. Questo è un gran punto a favore, grazie all’ossigeno intrinseco nel biodiesel che promuove una combustione più completa.
• Anidride Carbonica (CO2): La miscela M20 ha mostrato emissioni di CO2 inferiori del 2% rispetto agli altri carburanti. È importante ricordare che la CO2 prodotta dai biocarburanti è considerata parte di un ciclo chiuso, poiché le piante da cui derivano l’hanno assorbita durante la crescita. Le miscele più ricche di biodiesel (M50, E50, M100, E100) tendono a migliorare l’ossidazione del carbonio, ma la loro maggiore viscosità può giocare brutti scherzi se non gestita bene.
• Idrocarburi Incombusti (HC): Qui la situazione è un po’ più complessa. In generale, le miscele (M20, E20, M50, E50) si sono comportate meglio degli esteri puri. L’E100 ha prodotto valori di HC significativamente alti, tranne che al minimo. Il diesel, con l’aumentare del carico, ha ridotto le sue emissioni di HC del 40% rispetto al minimo. Le miscele di esteri, però, hanno mostrato emissioni di HC inferiori, con M20 che ha ridotto gli HC addirittura del 50.8% rispetto al diesel! E, in generale, gli esteri etilici hanno prodotto meno HC di quelli metilici, forse per la loro minore volatilità.
• Ossidi di Azoto (NOx): Questo è spesso il tallone d’Achille dei biodiesel. Ma qui c’è una sorpresa: le emissioni di NOx per tutti i carburanti alternativi testati sono state inferiori a quelle del diesel, in media fino al 17.8%! Il diesel ha prodotto più NOx in quasi tutte le condizioni. L’aumento della frazione di esteri nella miscela tendeva ad aumentare gli NOx, probabilmente per una combustione più completa e temperature più alte nel cilindro, ma sempre rimanendo sotto i livelli del diesel. Questo è un risultato fantastico!
• Ossigeno (O2) allo scarico: Ho notato che i biodiesel tendono ad avere più ossigeno residuo allo scarico, il che è logico, visto che ne contengono nella loro struttura molecolare.

Tiriamo le Somme: Il Biodiesel di Cartamo è il Futuro?

Allora, cosa ci portiamo a casa da questa scorpacciata di dati? Beh, prima di tutto, il biodiesel da olio di cartamo, sia a base di esteri etilici (FAEE) che metilici (FAME), si conferma una valida alternativa al diesel fossile. Ma la vera star, secondo me, è l’estere etilico (FAEE).

Ecco i punti salienti:

• Combustione: I FAEE hanno mostrato un avvio della combustione più rapido.
• Efficienza (BTE): Le miscele diesel-FAEE tendono a performare meglio, con E50 che si è avvicinata moltissimo al diesel.
• Consumi (BSFC): L’E20 ha mostrato consumi comparabili al diesel ad alti carichi.
• Emissioni di CO: Tutti gli esteri hanno fatto meglio del diesel.
• Emissioni di HC: Le miscele di esteri, specialmente quelle etiliche, hanno ridotto significativamente gli HC.
• Emissioni di NOx: Sorprendentemente, tutti gli esteri hanno prodotto meno NOx del diesel!

Certo, non è tutto rose e fiori. I consumi specifici sono ancora un po’ più alti per i biodiesel puri, e l’efficienza termica generale è leggermente inferiore rispetto al diesel puro. Ma i vantaggi in termini di emissioni, specialmente per CO, HC e NOx, sono innegabili. E il fatto che l’FAEE, derivato da etanolo bio-based, mostri prestazioni così promettenti, a volte superiori al FAME, è un segnale fortissimo.

La mia ricerca ha evidenziato chiare differenze tra le miscele FAEE e FAME. L’FAEE ha dimostrato caratteristiche di prestazione del motore migliori, mentre i suoi effetti sulle emissioni di scarico, sebbene generalmente positivi, sono stati a volte variabili ma con picchi di eccellenza.

Cosa ci riserva il futuro? Sicuramente, ulteriori ricerche per valutare FAEE da diverse fonti oleaginose, testare miscele ternarie (magari con alcoli o nanoparticelle), esplorare strategie di combustione avanzate e, non da ultimo, fare un’analisi dei costi seria prima di pensare a un’implementazione su larga scala. Ma una cosa è certa: la strada verso carburanti più sostenibili è aperta, e l’estere etilico di cartamo ha tutte le carte in regola per essere un protagonista!

Fonte: Springer