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Emulsion Power

L’emulsione

Il settore energetico in pochi anni ha subito un processo di rinnovamento, una sorta di rivoluzione che ha visto un forte sviluppo delle fonti di energia rinnovabile e contemporaneamente delle tecnologie per l’abbattimento delle emissioni inquinanti e/o climalteranti, dovuti alle sempre più stringenti regolamentazioni ambientali su scala globale.
L’impiego delle emulsioni come combustibile alternativo ben si inserisce in questo contesto in quanto è una soluzione economica per l’abbattimento degli inquinanti. Emulsion Power e il suo gruppo di ricerca Additive Chemicals Limited ha sviluppato negli anni varie soluzioni tecnologicamente avanzate ed affidabili.
L’interesse manifestato recentemente sulle emulsioni come combustibile alternativo deriva dalla potenziale capacità dell’acqua, nota già dall’inizio del 900, di ridurre le emissioni nocive.
In generale si parla di emulsione quando due fluidi immiscibili vengono miscelati tra loro per mezzo di una azione meccanica. A seguito di tale azione meccanica di mescolamento si ottiene un sistema bifase in cui si possono distinguere una fase continua e una fase dispersa. Quest’ultima è costituita dal fluido presente in minor percentuale.
L’aggiunta di una certa quantità di acqua ad un combustibile liquido (derivato da risorse fossili o rinnovabili)

garantisce un significativo abbattimento degli ossidi di azoto (NOx) e del particolato (PM) nei gas di scarico del sistema di combustione nel quale viene impiegato. L’acqua può essere iniettata separatamente sia in forma liquida che come vapore tuttavia la sua presenza all’origine nel combustibile introdotto in camera di combustione è una soluzione generalmente più efficace, oltre a non richiedere sistemi di iniezione aggiuntivi.
In base al contenuto d’acqua, le emulsioni a base di combustibili possono essere divise in prima approssimazione in emulsioni di tipo Water-in-Oil ( W/O ) e Oil-in Water ( O/W ) . Nel primo caso la fase dispersa è costituita da particelle di acqua, nel secondo dal combustibile.

La stabilità dell’emulsione è un fattore importante, soprattutto nei casi in cui si rende necessario uno stoccaggio del prodotto per lunghi periodi di tempo. L’emulsione non è infatti stabile per natura, in quanto, in un sistema in quiete, le particelle della fase dispersa tendono a coalescere spontaneamente in porzioni di fluido sempre più grandi. Alla fine di questo processo i due fluidi risulteranno nuovamente separati. Per questo motivo si rende necessario provvedere alla stabilizzazione dell’emulsione.

La stabilizzazione è ottenuta mediante l’impiego di particolari sostanze tensioattive ( serie additivi ACL series di Emulsion Power) che impediscono per un periodo sufficientemente lungo (alcuni mesi) la separazione delle due fasi liquide.

Emulsion Power è in possesso di entrambe le tecnologie per produrre emulsioni.

Le emulsioni stabili del tipo water-in-oil, con contenuti d’acqua fino al 25% grazie alla quale tecnologia ottimizza la

combustione dell’idrocarburo, in quanto ogni microparticella di acqua risulta essere circondata da particelle di combustibile. ( l’emulsione stabile “Stable emulsion” utilizzata per automotive e riscaldamento ha un contenuto di acqua tra il 10% e il 15% in massa , stabile oltre i 5 mesi)

La dimensione media delle microgocce di acqua presenti dell’emulsione è generalmente inferiore a 1 µ.

Misure eseguite sull’emulsione stabile che può essere prodotta con le soluzioni offerte da Emulsion Power, indicano che la distribuzione delle microgocce è unimodale centrata circa a 0,1 – 0,5 µ.
La tecnologia innovativa dei macchinari e gli additivi (ACL series) performanti usati negli Stable Box Emulsion Power consentono di creare emulsioni stabili nel tempo, secondo le esigenze normative dei vari stati sia per il gasolio sia per gli altri carburanti come ad esempio gli olii combustibili.
Emulsion Power è in possesso anche della tecnologia per la produzione di emulsioni di tipo oil-in-water, utilizzata ad esempio nel caso di emulsioni a base di olio pesante “crudo”, in modo da evitarne il taglio con il gasolio.

 

L’emulsione secondo Emulsion Power

Creare l’emulsione
Per creare un emulsione performante, indipendentemente dal tipo di tecnologia utilizzata ( W/O , O/W, stable emulsion oppure on-demand emulsion) Emulsion Power mette a disposizione il proprio know-how completo:
• Additivi specifici (ACL Series): L’unione molecolare tra acqua ed idrocarburi deve essere forte e durevole nel tempo. Grazie ad anni di ricerca è stato possibile raggiungere il giusto equilibrio per ciascun carburante nelle diverse condizioni operative.
• Miscelatori ad elevata azione di taglio: tutti gli impianti ( blender ) EmulsionPower sono provvisti di mixer ad alta azione di taglio, ossia dispositivi in cui avviene effettivamente l’unione tra acqua, additivo e combustibile, sono stati studiati per raggiungere le più piccole dimensioni delle goccioline di emulsione (meno di 1 micron), gestendo al meglio il flusso e la qualità di produzione.
• Desing di impianto: Emulsion Power ha sviluppato i layout degli impianti, al fine di avere dei macchinari di produzione compatti ed efficienti.
• Software e controllo : Il cervello degli impianti, con parametri operativi e la corretta temporizzazione delle fasi di miscelazione sono stati sviluppati in modo da ottimizzare il ciclo produttivo e la qualità del prodotto finale.

 

 

 

 

Se gli additivi e i miscelatori sono il cuore, e segreto industriale, della tecnologia Emulsion Power, le soluzioni impiantistiche e di controllo sono il valore aggiunto che Emulsion Power fornisce per garantire la qualità dell’emulsione prodotta.

Lo si può dedurre osservando il processo che porta alla creazione dell’emulsione stabile W/O (“Stable Emulsion”). La prima condizione necessaria è che oltre ad acqua e combustibile, vi sia presente il giusto quantitativo di additivo che svolge la funzione di emulgatore. La seconda condizione è invece quella che la dimensione delle gocce delle fasi fluide sia la più piccola possibile, ottenibile fornendo energia meccanica attraverso un opportuno miscelatore.
Emulsion Power è in possesso di additivi e miscelatori allo stato dell’arte, tuttavia ciò non basta per raggiungere lo standard di qualità che noi offriamo. Il controllo software e il layout dell’impianto fanno la differenza perché è solo grazie a questi elementi che il processo di produzione dell’emulsione può avvenire nei giusti modi e tempi: allora si può osservare che la forza di taglio trasversale generata dal miscelatore dinamico sviluppato da Emulsion Power inizialmente distorce la goccia d’acqua trasformandola in una forma ovale allungata. Questa poi è circondata dalle molecole dell’emulgatore che si spostano verso l’interfaccia. Infine le gocce più grandi si scindono in più piccole di varie misure che sono a turno stabilizzate dalle molecole di emulgatore. Il risultato finale è la formazione di piccole gocce d’acqua circondate da molecole di emulgatore che vanno a formare una sorta di rivestimento protettivo. Si può ancora notare che le code dell’emulgatore si attaccano al combustibile e possono facilmente interferire con altre gocce che si avvicinano troppo.
Il risultato finale è una perfetta emulsione senza acqua libera la cui stabilità va ben oltre i requisiti di legge.
Una panoramica dell’offerta Emulsion Power in relazione al tipo di emulsione prodotta è la seguente:

Emulsion Power sta sviluppando anche una serie di macchinari specifici per il settore Marine. Per informazioni rivolgersi direttamente a info@emulsionpower.com

Emulsione EP: carburante ecologico

Le emulsioni di EMULSION POWER sono un combustibile ecologico, infatti migliorando l’efficienza della combustione e abatteno le più importanti emissioni inquinanti.
L’uso di emulsione produce infatti un significativo abbatimento delle emissioni più dannose e inquinanti mentre al tempo stesso, il consumo di combustibile e la potenza sviluppata risultano praticamente invariati.
L’abbattimento delle emissioni può variare significativamente a seconda dell’applicazione, del combustibile base e del contenuto di acqua. Nel caso di Stable Emulsion, in base alle varie prove condotte da Emulsion Power, l’abbattimento percentuale medio delle emissioni ottenibile grazie all’uso di emulsione è illustrato nella seguente figura, assumendo pari a 100% le emissioni associate allo stesso combustibile con cui l’emulsione è prodotta

L’opacità dei gas di scarico è una grandezza direttamente proporzionale alla produzione di fuliggine (Soot) a seguito della combustione. Inoltre la fuliggine è composta per la maggior parte da particolato (PM), perciò anche le emissioni di particolato risultano proporzionali all’opacità.
Con riferimento ai motori Diesel, Emulsion Power ha testato Stable Emulsion per applicazioni e condizioni diverse, ottenendo sempre un certo risparmio di combustibile (il combustibile base usato per produrre l’emulsione) e un generalizzato abbattimento delle emissioni.

La seguente figura illustra I risultati ottenuti durante la prova al banco di un motore IVECO mod. N40 ENT M25, effettuata presso lo stabilimento di CMD S.p.a. ( industria di progettazione e costruzioni motori diesel www.cmdengine.com ) , privo di sistema di abbattimento a valle del motore ( privo di marmitta catalitica o altro tipo di filtro allo scarico dei gas), in condizioni di massima potenza.
Questa prova ha evidenziato che anche il cosumo di gasolio specifico (significa a pari potenza erogata) è di minuito di circa il 2% in condizioni di massimo carico, tra I punti di funzionamento di massima coppia e massima potenza, i quali determinano l’intervallo di funzionamento più importante per applicazioni stradali.
Altre prove sono state svolte direttamente sui veicoli, muniti di sistemi per l’abbattimento delle emissioni, verificando l’opacità dei fumi di scarico. La seguente figura illustra il drastico crollo dell’opacità registrato su due automezzi diversi. Questo dato indica che indipendentemente dallo standard europeo sulle emissioni inquinanti l’uso di Stable Emulsion consente di ridurre drasticamente le emissioni di particolato.

Un altro test svolto su un motore monocilindrico con Stable Emulsion ne conferma le capacità di abbattimento delle emissioni inquinanti e soprattutto evidenzia che l’uso di Stable Emulsion comporta un generalizzato innalzamento del rendimento del motore (circa 2,5% in media).Maggiore rendimento significa minore consumo, quantità direttamente proporzionale.
Inoltre è importante notare che un altro effetto conseguente è l’abbattimento delle emissioni di Anidride Carbonica (CO2), che pur non essendo un inquinante è oggi oggetto di particolari attenzioni in virtù della sua natura clima-alterante. Le due figure nel seguito mostrano la relazione che esiste tra maggiore rendimento e abbattimento delle emissioni di CO2 negli 11 punti di misura analizzati.

Emulsion Power ha svolto altri test con emulsioni stabili e on-demand a base di altri combustibili, riscontrando sempre un abbattimento delle emissioni di paricolato e NOx, unitamente ad una riduzione del consumo specifico di combustibile base.
Con riferimento alle prove svolte su un impianto cogenerativo (consultare sezione referenze) la seguente figura

mostra come l’emulsione on-demand a base di olio vegetale (emulsionatori VEGreen e additivi ACF Series) comporti un significativo risparmio economico, dovuto ai minori consumi (maggior rendimento del motore). Come previsto, le misure effettuate hanno evidenziato anche un drastico abbattimento del valore di opacità dei fumi

Approfondimenti

FORMAZIONE DELLE SOSTANZE INQUINANTI NEI MOTORI DIESEL

Nel processo di combustione di un motore Diesel, si possono distinguere due fasi: la fase premiscelata, che avviene all’accensione, è caratterizzata da un rapido rilascio di calore; la fase diffusive, che segue la prima fase, è invece caratterizzata da un lento rilascio di calore, controllato dal miscelamento del combustibile vaporizzato con l’aria. Perciò, la fase diffusiva è quella dominante nel processo di combustione. Essa avviene in condizioni stechiometriche e produce quindi temperature più elevate.
All’interno del getto di combustibile, cioè dove il rapporto Diesel/aria è più elevato, avviene la formazione della fuliggine (costituita per la maggior parte dal particolato, PM). La maggior parte viene ossidata durante la successiva combustione, mentre la parte rimanente viene espulsa allo scarico. Nella regione dove si sviluppa la fiamma invece, dove si raggiungono I picchi di temperatura più elevate, avviene la formazione degli Ossidi di Azoto (NOx) associati al meccanismo di formazione termico (NOx termici). Questi composti non possono essere ridotti significativamente prima che I gas combusti escano dalla camera di combustione, perciò essi vengono per la maggior parte rilasciati in atmosfera attraverso i fumi di scarico.
La formazione di CO (Monossido di Carbonio) e HC (Idrocarburi incombusti) avviene durante il processo di combustione poiché esse sono prodotti intermedi che si formano naturalmente nella successione di reazioni che portano alla complete ossidazione del combustibile iniettato nel cilindro. L’ ossidazione di questi composti dipende dal loro tempo di residenza, dalla quantità di ossigeno e dalla temperatura nella camera di combustione. Il CO è anche un precursore nel processo di formazione della fuliggine. La formazione degli HC è invece più complessa, perché si possono anche formare negli istanti finali della combustione in corrispondenza delle pareti del cilindro.

ABATTIMENTO DELLE EMISSIONI NEI MOTORI DIESEL GRAZIE ALLE EMULSIONI DI EMULSION POWER

La presenza delle gocce di acqua nell’emulsione produce un impatto significativo sulla formazione della fuliggine e perciò sulle emissioni di particolato. Esistono diversi modi in cui essa agisce (meccanismi meccanici e chimici). In primo luogo, le gocce di acqua presenti nel getto di combustibile aumenta la sua penetrazione nell’aria compressa presente nella camera di combustione, grazie alla più elevate quantità di moto ad esse associata. In secondo luogo, durante il processo di vaporizzazione, le gocce di acqua contribuiscono significativamente alla diffusione e atomizzazione del combustibile nella camera di combustione poiché la sua evaporazione è molto più veloce (microesplosione delle gocce di acqua) rispetto al gasolio. Infine, il maggiore calore latente e la maggiore capacità termica dell’acqua determinano un aumento del tempo di vaporizzazione del gasolio che a sua volta comporta un aumento del ritardo di accensione.
Tutti questi meccanismi contribuiscono a migliorare il miscelamento del gasolio con l’aria.
Come risultato finale si ha un minore rapporto Diesel/aria nella regione del getto che produce un significativo abbattimento della fuliggine prodotta.
Per le stesse ragioni la fase premiscelata, caratterizzata da temperature più basse, si allunga. Inoltre, il maggiore assorbimento di calore da parte delle gocce di acqua causa un generalizzato abbassamento dei picchi di temperature nel processo di combustione.
Perciò, la produzione di NOx termici diminuisce comportando un abbattimento significativo delle emissioni di tali composti.
Molti studi hanno evidenziato come la riduzione di particolato e NOx sia direttamente proporzionale alla quantità di acqua presente nell’emulsione.
D’altra parte, le temperature più basse solitamente comporterebbero un aumento delle emissioni di CO e HC. Per questi composti le emissioni variano da caso a caso, in funzione dell’applicazione e delle condizioni operative.
L’uso di emulsione comporta l’abbattimento del CO associato ai meccanismi di formazione della fuliggine per le ragioni illustrate in precedenza. In ogni caso, le emissioni di CO allo scarico dipende dal peso relativo tra questo effetto e quello dovuto alle minori temperature che ne comporta l’aumento. Nelle condizioni in cui l’effetto della temperature è più significativo, l’uso di emulsione potrebbe quindi comportare un leggero incremento delle emissioni di CO.
Dal momento che la formazione degli HC è dovuto a più meccanismi, l’impatto sulla loro produzione dovuto all’uso di emulsione risulta ancora più variabile a seconda delle condizioni operative. Da una parte, il miglioramento del miscelamento di gasolio e aria dovuto alla presenza dell’acqua come descritto in precedenza, può comportare l’abbattimento della quota prodotta durante la fase di combustione premiscelata. D’altra parte le minori temperature contribuiscono all’aumento della loro produzione in quelle regioni della camera di combustione dove la concentrazione di gasolio nella miscela gassosa non è abbastanza elevate per raggiungere le condizioni di accensione.
Inoltre la produzione degli HC è influenzata significativamente da dimensioni e geometria della camera di combustione e dall’orientamento dei getti di combustibile poiché molti HC si formano quando il combustibile viene a contatto delle pareti della camera. Qui la vaporizzazione avviene più lentamente e la successive ossidazione avviene quando la concentrazione di ossigeno è ormai troppo bassa e conseguentemente si ha una produzione

Emulsion Power
La mission di EMULSION POWER S.r.l. è l’ottimizzazione energetica nel nome dell’economia (razionalizzazione) nel massimo rispetto dell’ambiente, in perfetta armonia con le direttive vigenti, con attenzione a quelle future.
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