Биодизельное топливо приобретает не только известность, но и популярность, как жизненно важный возобновляемый источник энергии из-за его существенных экологических и экономических преимуществ. Поскольку мировые сообщества сталкиваются с сокращением запасов ископаемого топлива, а также растущими экологическими проблемами, биодизель предлагает устойчивую альтернативу обычным видам топлива. Он значительно сокращает выбросы вредных веществ (таких как оксид углерода, диоксид серы и несгоревшие углеводороды), способствующих образованию парниковых газов и улучшает качество атмосферы Земли. Получаемый из возобновляемого сырья, к примеру, из таких растительных производных, как растительные масла, животные жиры или водоросли, этот вид топлива является биоразлагаемым, нетоксичен и экологически безопасен, что делает его предпочтительным выбором для устойчивых энергетических решений. В некоторых странах на его использование переводят мощные дизель-генераторные установки аварийного питания крупных корпоративных потребителей энергии, таких как центры обработки данных (ЦОД или, как их ещё называют, дата-центры), так как часть из них располагаются в границах городов. Экологические преимущества биодизеля значительны, поскольку он снижает загрязнение воздуха и смягчает последствия изменения климата.
Кроме того, биодизельные топливные решения повышают энергетическую безопасность за счёт диверсификации энергетического баланса и снижения зависимости от импортируемого ископаемого сырья, что имеет решающее значение для стран с ограниченными ресурсами. Его экономические преимущества также заслуживают внимания, поскольку переход на такой энергоноситель может стимулировать сельскую экономику за счёт создания рабочих мест в сельском хозяйстве и, непосредственно в производстве «растительного» топлива. Даже отходы (например, отработанное кулинарное масло), могут быть преобразованы в биодизель, обеспечивая как экономические, так и экологические выгоды. Совместимость с существующими дизельными двигателями ещё больше повышает его привлекательность, так как эту разновидность топлива можно использовать с модификациями ДВС минимального или нулевого экологического класса, что делает его удобной заменой нефтяного аналога.
Однако такие проблемы, как высокие производственные затраты, в первую очередь из-за цен на сырье, остаются существенными препятствиями. Но учёные сейчас сосредоточены на экономически прибыльных методах, таких как использование непищевых масел, биологических отходов и достижений в области каталитических технологий, для преодоления этих проблем. Технологические достижения, включая применение нанотехнологий, могут повысить эффективность производства биодизеля и улучшить его топливные свойства. Ожидается, что инновации в каталитических процессах сделают его более конкурентоспособным по сравнению с ископаемыми видами топлива. Кроме того, политическая поддержка со стороны правительств играет решающую роль в продвижении внедрения, так как можно смешивать биодизельное топливо с ископаемым для сокращения выбросов углекислого газа.
Одной из существенных проблем являются более высокие выбросы оксида азота в результате сгорания из-за более высокого содержания кислорода, что способствует более полному сгоранию, но также увеличивает температуру в цилиндрах, обеспечивая ключевые условия для образования этих вредных побочных загрязняющих веществ. Это создаёт проблемы для окружающей среды, поскольку азотные соединения являются основным фактором кислотных дождей и образования озона в нижних слоях атмосферы. Усилия по снижению выбросов включают использование присадок, оптимизацию параметров двигателя и смешивание биодизельного топлива с наночастицами, которые продемонстрировали потенциал снижения температуры и улучшения распыления топлива в камере сгорания. Ещё одним недостатком обычных биосмесей является их более низкая энергоэффективность по сравнению с ископаемым топливом, так как они имеют более низкую энергетическую плотность и теплотворную способность. А это означает, что двигателям требуется больше топлива для выработки той же мощности. Искусственное повышение вязкости биодизельного топлива может привести к неполному распылению и отложению его в камере сгорания, что приводит к снижению КПД и увеличению износа двигателя.
Эти ограничения подчёркивают необходимость совершенствования рецептур и технологий сжигания. Такие инновации, как обогащённые наночастицами смеси, улучшают свойства топлива и эффективность сгорания при одновременном снижении выбросов. Исследование в области подбора наиболее эффективных присадок альтернативного сырья и катализаторов имеют решающее значение для устранения недостатков.
Наночастицы появились как преобразующее решение для преодоления ограничений повышенных выбросов оксида азота и низкой энергоэффективности. Действуя как катализаторы горения, наночастицы улучшают процесс, способствуя лучшему распылению и улучшению смешивания топлива с воздухом. Это приводит к более полному сгоранию всего топлива в цилиндрах, уменьшению выбросов несгоревших углеводородов (включая CO), за счёт контроля температур сгорания. Например, наночастицы диоксида титана и оксида меди продемонстрировали способность снижать выбросы оксида азота до 20 %, демонстрируя свой потенциал для смягчения одного из самых существенных недостатков. Помимо снижения выбросов, наночастицы улучшают теплофизические свойства биодизеля, решая проблему его более низкой энергоэффективности. Увеличивая теплопроводность топлива и цетановое число, наночастицы обеспечивают более быстрое и эффективное сгорание, что приводит к повышению энергоэффективности и снижению удельного расхода топлива. Исследования показали, что включение наночастиц оксида алюминия и оксида церия в топливные смеси может привести к повышению энергоэффективности на 10-15%, что делает биотопливо более конкурентоспособным по сравнению с обычным дизелем.
Различные вариации добавления мельчайших частиц химических присадок также играют решающую роль в улучшении стабильности и вязкости, обеспечивая получение однородных смесей, которые предотвращают разделение фаз. Высокое отношение площади поверхности к объёму наночастиц способствует лучшему поглощению и передаче тепла, оптимизируя процесс сгорания. Такие методы, как ультразвуковая обработка, обеспечивают стабильную дисперсию наночастиц в смесях биодизеля, предотвращая седиментацию и засорение узлов, деталей и компонентов ДВС, а также преждевременный износ. Добавление наночастиц оксида кальция и кремния снижает кинематическую вязкость, делая его более подходящим для использования в дизельных двигателях без значительных модификаций. Гибридные и композитные наночастицы разрабатываются для объединения преимуществ нескольких материалов, обеспечивая синергетические эффекты, которые улучшают как свойства топлива, так и эффективность сгорания. Размер, концентрация и гибридизация наночастиц являются критическими факторами, требующими дальнейшего изучения для повышения их эффективности при обеспечении устойчивости и масштабируемости в формулах готового продукта. Кроме того, приложения машинного обучения для оптимизации смесей наночастиц и прогнозирования их воздействия на динамику двигателя и сокращение выбросов, могут предложить новые захватывающие направления исследований, позволяющие более точно находить, формулировать и применять наночастицы различных элементов, для улучшения общей эффективности.