Tutkimus: Polttomoottori voi saavuttaa päästöttömän palamisen ja kaksinkertaisen hyötysuhteen

Aalto-yliopiston ja Turun yliopiston HyMar-hankkeessa on saatu lyhyessä ajassa tuloksia, jotka voivat mullistaa koko polttomoottoritekniikan. Ideana on polttoaineen palamisessa käytettävän ilman eli typpi-happiseoksen korvaaminen argon-happiseoksella. 

”Kyseessä voi olla todellinen pelinmuuttaja polttomoottoreille, sillä argonkaasun poikkeukselliset termodynaamiset ominaisuudet muuttavat palamisprosessia ratkaisevasti”, sanoo energiatekniikan professori Ville Vuorinen Aalto-yliopistosta.

Jos konsepti osoittautuu toimivaksi, sen ilmasto- ja energiatehokkuushyödyt ovat ennen näkemättömät. Argon-syklissä moottori ei tuota lainkaan typen oksideja (NOx), jotka ovat yksi haitallisimmista ilmasto- ja terveysvaikutuksia aiheuttavista päästöistä. Kun polttoaineena käytetään vihreää vetyä, moottori voi toimia täysin hiilivapaasti.

Samaan aikaan polttoaineenkulutus voi jopa puolittua ilman, että tehosta tingitään. Korkea hyötysuhde voi vauhdittaa uusiutuvien polttoaineiden läpimurtoa markkinoille, sillä se auttaa tasapainottamaan niiden alkuvaiheessa fossiilisia polttoaineita korkeampia tuotantokustannuksia.

Projektin tähänastinen läpimurto on palamisilmiöiden kuvaaminen optisessa moottorissa. Vuorinen kuvailee omin silmin näkemiään palamisilmiöitä hämmästyttäviksi. 

”Olemme tietääksemme maailman ensimmäinen tutkimusryhmä, joka on onnistunut kuvaamaan optisen moottorin avulla, mitä vedyn, argonin ja hapen palamisessa todella tapahtuu. Myös teoreettisia käyriä tukevat mittaukset osoittavat selvästi, että konsepti on teknisesti toteuttamiskelpoinen”, Vuorinen jatkaa. 

Uusia avauksia vihreän vedyn käyttöön

Vihreää vetyä pidetään tulevaisuuden polttoaineena, mutta sekään ei ole täysin päästötöntä. Vedyn palamisessa tarvitaan ilmaa, joka koostuu pääosin typestä. Korkeissa lämpötiloissa typpi reagoi hapen kanssa, jolloin syntyy NOx-päästöjä. Sama ilmiö koskee myös metaania, jota käytetään esimerkiksi LNG-laivoissa, eli nesteytettyä maakaasua kuljettavissa laivoissa, ja kaasuturbiineissa. 

Avain päästöttömään palamiseen on argon, joka korvaa ilmassa olevan typen. 

”Toinen argonin erityisominaisuus on, että se mahdollistaa huomattavasti korkeammat puristuslämpötilat ja -paineet kuin perinteinen ilmaseos. Tämä nostaa moottorin hyötysuhdetta selvästi, koska suurempi osa polttoaineen energiasta saadaan muutettua työksi lämpöhäviöiden sijaan”, Vuorinen kuvailee. 

Perinteisen bensiinimoottorin hyötysuhde on noin 20–30 prosenttia ja dieselmoottorin 30-40 prosenttia. Argon-syklissä hyötysuhde voi nousta jopa 70-80 prosenttiin.

Vuorisen mukaan tämä avaa ovia uusille puhtaille polttoaineille.

”Vety ei syty yhtä helposti kuin diesel ja ammoniakki syttyy melko huonosti. Argon-kierto voisi luoda näille polttoaineille ’dieselmäisiä’ ominaisuuksia, eli parantaa niiden syttyvyyttä ja palamisominaisuuksia”, hän toteaa.

Kamerat seuraavat palamisliekkiä

HyMar on Suomen Akatemian rahoittama hanke, jonka tavoitteena on tuottaa uutta tietoa vedyn ja metaanin palamisilmiöistä argon-syklimoottoreissa. Aallossa Vuorisen laskennallisen virtausmekaniikan ja palamisfysiikan tutkimusryhmä vastaa hankkeen kokeellisesta osuudesta yhteistyössä Staff Scientist Cheng Qiangin kanssa. Turun yliopiston tutkijat täydentävät hanketta omalla mallinnusosaamisellaan.

Aallossa on erittäin korkeatasoinen palamistutkimuksen laitteisto.

”Sen avulla voimme kuvata ja mitata argonin palamista yksityiskohtaisesti. Optisen moottorin kvartsilasinen mäntäikkuna mahdollistaa liekin syttymisen ja palamisilmiöiden tallentamisen suurnopeuskameroilla”, Qiang kertoo. 

Aiemmin argonin palamista on tutkittu vain yksinkertaisissa palokammioissa tai suljetuissa moottoreissa ja niissäkin erittäin rajallisesti.

”Seuraavaksi tutkimme tarkemmin, miten vety, argon ja happi käyttäytyvät moottorissa. Tavoitteena on syventää ilmiön tieteellistä ymmärrystä ja viedä argon-syklikonsepti kohti käytännön toteutusta”, Qiang jatkaa. 

Sovelluskohteita voimalaitoksista meriliikenteeseen

Tutkijoiden mukaan uusi argonsyklimoottori sopii erityisen hyvin kohteisiin, joissa tarvitaan erittäin korkeaa hyötysuhdetta, nollapäästöjä ja vihreän vedyn käyttöä polttoaineena. 

”Moottori on ihanteellinen teollisiin voimalaitoksiin, vetykeskuksiin ja kemianteollisuuden laitoksiin, jotka tavoittelevat täysin nollapäästöistä energiantuotantoa paikan päällä. Se on lupaava ratkaisu myös meriliikenteessä”, Qiang sanoo.  

Myös Vuorinen näkee sovelluskohteita laajasti.

”Näen argonsyklissä potentiaalia hyvin monenlaisille polttoaineille. Yli 80 prosenttia maailman energiasta tuotetaan yhä palamisprosessien kautta. Argonsykli tarjoaa keinon päästä kokonaan eroon NOx-päästöistä. On äärimmäisen motivoivaa jatkaa tutkimusta”, hän summaa. 

Teksti: Marjukka Puolakka
Kuva alla: Qiang Cheng ja Joakim Kapp