Overschakelen op hernieuwbare brandstoffen zou de uitlaatemissies van giftige stikstofoxiden (NOx) aanzienlijk kunnen verminderen en de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen kunnen terugdringen. Onderzoekers van KAUST hebben computeranalyse gecombineerd met lasergebaseerde NOx-concentratiemetingen om de NOx-productieroutes in verschillende brandstoftypen te begrijpen. De resultaten kunnen inspireren tot nieuwe manieren om NOx-emissies te verminderen, zeggen de onderzoekers.

Lang voordat de klimaatverandering de wereldwijde aandacht vestigde op de koolstofemissies van voertuigen, regelgevers klemmen NOx aan vanwege het nadelige effect op de luchtkwaliteit. "Het beheersen van de uitstoot van stikstofoxide blijft een echte uitdaging, met steeds strengere beperkingen op auto's, vrachtwagens, en luchtvaart, " zegt William Roberts, die het KAUST Clean Combustion Research Center leidt. "We kijken voortdurend naar opkomende brandstoffen en proberen chemische kinetische mechanismen te ontwikkelen om de vorming van NOx te voorspellen."

In de laatste studie, Roberts en zijn collega's onderzochten NOx-emissies van alcoholbrandstoffen, zoals ethanol. Deze hernieuwbare brandstoffen hebben aandacht gekregen omdat ze potentieel koolstofneutraal zijn, maar ze produceren ook een lagere NOx-uitstoot dan conventionele fossiele brandstoffen. Stikstofoxiden kunnen op verschillende manieren worden geproduceerd, die elk een ander verbrandingsstadium domineren, zegt Myles Bohon, die heeft bijgedragen aan de studie tijdens zijn Ph.D. voordat hij bij de Technische Universität Berlin kwam. "Door deze paden en hun relatieve belang te begrijpen, het wordt eenvoudiger om NOx-beperkende technieken te ontwikkelen, ' zegt Bohon.

De onderzoekers gebruikten planaire laser-geïnduceerde fluorescentie (PLIF) om de NOx-productie door de vlam te meten, het vergelijken van alcoholbrandstoffen met een surrogaat voor alkaan fossiele brandstoffen. De techniek hielp het team om niet-thermische NOx-productieroutes te onderscheiden, die al vroeg in de vlam domineren, van thermische NOx-productieroutes, die voornamelijk voorkomen in het gebied van de hoge temperatuur na de vlam.

"Dit soort directe metingen zijn vrij moeilijk uit te voeren, "zegt Bohon. "Maar ze zijn belangrijk omdat ze direct de verschillen in de niet-thermische NO-vorming tussen de twee brandstofklassen laten zien." Maar liefst 50 procent minder niet-thermische NO werd geproduceerd in de alcoholvlammen, observeerden de onderzoekers. Ze ontwikkelden ook een algoritme om de specifieke verschillen in de bijdrage van de NOx-route tussen alcohol en alkaanbrandstoffen nader te bepalen.

"Alcoholbrandstoffen hebben zeker toepassingen in verbrandingsmotoren, waar alcoholen, met name ethanol, aan benzine worden toegevoegd, ", zegt Bohon. "Er is veel potentieel om brandstofmengsels te gebruiken om NOx te verminderen, " hij voegt toe.

KAUST-onderzoekers blijven hun mechanistische begrip van NOx-productie verfijnen, hun modellen valideren met behulp van op laser gebaseerde diagnostiek, voorspellen, NOx-emissies begrijpen en uiteindelijk verminderen, ' zegt Roberts.