Βενζίνη, τόσο απαραίτητη

Σταθμός καυσίμων της Βραζιλίας με τέσσερα εναλλακτικά καύσιμα προς πώληση: ντίζελ (B3), gasohol (E25), καθαρή αιθανόλη (E100) και συμπιεσμένο φυσικό αέριο (CNG)

Credit: By Mariordo Mario Roberto Duran Ortiz - Own work, CC BY-SA 3.0,

Η βενζίνη είναι εκείνο το κλάσμα του πετρελαίου με τη μεγαλύτερη κατανάλωση. Υπολογίζεται ότι από ένα βαρέλι αργό πετρέλαιο (crude oil) που περιέχει 159 λίτρα τα 72 λίτρα είναι ή γίνονται βενζίνη.

Η βενζίνη που οι Αμερικάνοι την λένε γκας (gas) ή γκαζολίνη (Gasoline) ενω οι Άγγλοι petrol είναι εκείνο το κλάσμα του πετρελαίου που περιέχει μόρια με 6 έως 12 άτομα άνθρακα. Χωρίς βέβαια αυτή η συνταγή να είναι απόλυτη, λόγου χάρη το χειμώνα τα διυλιστήρια στις βόρειες χώρες προσθέτουν και κάποιο ποσοστό βουτανίου, που ενώ κανονικά είναι αέριο, στις χαμηλές χειμερινές θερμοκρασίες διαλύεται ικανοποιητικά μέσα στη βενζίνη και βελτιώνει την ανάφλεξη στο κρύο.Το ποσοστό της βενζίνης στο αργό πετρέλαιο είναι μικρό και έτσι ένα μέρος από τη βενζίνη που καίνε τα αυτοκίνητά μας παρασκευάζεται με τη διαδικασία της πυρόλυσης (cracking), από τα πιο βαριά κλάσματα του πετρελαίου, όπως η άσφαλτος, που δεν είναι εμπορεύσιμα.

Το Διυλιστήριο Ασπροπύργου των ΕΛΠΕ

Credit: https://www.helpe.gr/userfiles/4062d389-0842-4994-bd2c-a27000d14aac/viom-agkastaseis-22.jpg

Τετράχρονος τετρακλυλινδρος κινητήρας
Credit: reddit

Οι πρώτες μηχανές εσωτερικής καύσης αυτοκινήτων, οι αποκαλούμενες μηχανές Otto , αναπτύχθηκαν το τελευταίο τέταρτο του 19ου αιώνα στη Γερμανία (1876). Το καύσιμο ήταν ένας σχετικά πτητικός υδρογονάνθρακας που ελήφθη από αέριο άνθρακα. Με σημείο βρασμού κοντά στους 85°C (τα οκτάνια βράζουν περίπου 40°C υψηλότερα), ήταν κατάλληλο για τα πρώτα καρμπυρατέρ (εξατμιστές). Αργότερα η ανάπτυξη του καρμπυρατέρ "με ακροφύσιο ψεκασμού" επέτρεψε τη χρήση λιγότερο πτητικών καυσίμων. Οι πρώτοι κινητήρες είχαν πολύ μικρή ισχύ, συγκρίσιμη με τα άλογα που έσερναν τις άμαξες, και έτσι  επιχειρήθηκαν περαιτέρω βελτιώσεις στην αποδοτικότητα του κινητήρα χρησιμοποιώντας υψηλότερους λόγους συμπίεσης, αλλά οι πρώτες προσπάθειες μπλοκαρίστηκαν από τα πυρράκια, ή στα αγγλικά: χτύπημα (knocking) που είναι πρόωρη έκρηξη του καυσίμου μέσα στον κύλινδρο καύσης κάτι που γίνεται αντιληπτό σαν ένα μεταλλικό κροτάλισμα.

Ισοοκτάνιο (2,2,4 τριμέθυλο πεντάνιο)
Credit: By Ben Mills - Own work, Public Domain, 

Δηλαδή τα καύσιμα της εποχής δεν ήταν κατάλληλα για υψηλές αποδόσεις. Οι βενζίνες βαθμολογούνται όσον αφορά την ποιότητά τους στην αντοχή τους στα πυρράκια με την κλίμακα οκτανίου. Το ισοοκτάνιο (2,2,4 τριμέθυλο πεντάνιο) θεωρήθηκε ότι είναι το καλύτερο καύσιμο και πήρε βαθμό 100 ενώ το κανονικό ευθύγραμμο επτάνιο παίρνει βαθμό μηδέν. Για να βρεθεί ποιος είναι ο αριθμός οκτανίου μιας βενζίνης συγκρίνουμε τη συμπεριφορά της βενζίνης (σε ποιες συνθήκες κτυπάει πυρράκια) με διάφορα μίγματα ισοοκτανίου/επτανίου. Έτσι αν βρεθεί ότι η συγκεκριμένη βενζίνη συμπεριφέρεται όπως το μίγμα από 95% ισοοκτάνιο και 5% επτάνιο τότε αυτή η βενζίνη είναι 95 οκτανίων.

τετρααιθυλιούχος μόλυβδος
By Darkness3560 - Own work, CC0, 

Στη δεκαετία του 1920, εισήχθησαν οι ενώσεις antiknock για την βελτίωση του αριθμού οκτανίου από τους Thomas Midgley Jr. και Boyd, και συγκεκριμένα ο τετρααιθυλιούχος μόλυβδος (εν συντομία TEL). Αυτή η καινοτομία ξεκίνησε έναν κύκλο βελτιώσεων στην απόδοση των καυσίμων που συνέπεσε με την μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη της τεχνολογίας διύλισης του πετρελαίου ώστε να παρέχει περισσότερα προϊόντα στο εύρος βρασμού της βενζίνης. Αργότερα στη δεκαετία του 1950, τα διυλιστήρια πετρελαίου άρχισαν να επικεντρώνονται στα καύσιμα υψηλού οκτανίου (χωρίς την χρήση TEL), και στη συνέχεια προστέθηκαν τα απορρυπαντικά στη βενζίνη για να καθαρίσουν τα μπεκ στα καρμπυρατέρ. Στη δεκαετία του 1970 παρατηρήθηκε μεγαλύτερη προσοχή στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της καύσης βενζίνης. Αυτές οι επιπτώσεις οδήγησαν στη σταδιακή κατάργηση του TEL και στην αντικατάστασή του από άλλες ενώσεις. Στη συνέχεια, εισήχθη βενζίνη χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο, εν μέρει για τη διατήρηση των καταλυτών στα σύγχρονα συστήματα εξάτμισης αλλά και για την αντιμετώπιση της όξινης βροχής.

Η προσθήκη τετρααιθυλιούχου στη βενζίνη βελτίωσε την
απόδοση (οικονομία) του καυσίμου αλλά και την
ιπποδύναμη που από 2 ΗΡ το 1876 έφτασε τους 1300 ΗΡ το 1986
σε έναν κινητήρα με υπερσυμπιεστή της BMW.
By Own work, original version in German by Sgbeer CC BY-SA 

Ο τετρααιθυλιούχος μόλυβδος, (CH₃CH₂)₄Pb (εν συντομία TEL) αποτελεί ένα εξαιρετικό πρόσθετο για την βελτίωση του αριθμού οκτανίου. Μια πολύ μικρή ποσότητα 2,12 γραμμάρια TEL ανά γαλόνι είναι η τρέχουσα προσθήκη για την βενζίνη αεροσκαφών 100LL (χαμηλής περιεκτικότητας σε μόλυβδο). Στον 2ο Παγκόσμιο πόλεμο χρησιμοποιώντας τον TEL έφτιαχναν βενζίνη 150 οκτανίων. Η ανάμιξη με τη βενζίνη που ξεκίνησε τη δεκαετία του 1920 ως πατενταρισμένο ενισχυτικό οκτανίων επέτρεψε να αυξηθεί σημαντικά η συμπίεση του κινητήρα. Αυτό με τη σειρά του προκάλεσε αυξημένη απόδοση του οχήματος (οικονομία καυσίμου). Η αιθανόλη ήταν ήδη γνωστή ως ευρέως διαθέσιμο, φθηνό, χαμηλής τοξικότητας βελτιωτικό οκτανίων, αλλά το TEL προωθήθηκε επειδή ήταν μοναδικά κερδοφόρο στους κατόχους των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας και επειδή η βιομηχανία πετρελαίου ήταν γενικά εχθρική προς την αιθανόλη.

Ο Διοσκουρίδης σημείωσε την επίδραση
του μολύβδου στον εγκέφαλο
κατά τον πρώτο μΧ αιώνα.
By Unknown -, Public Domain.

Τα επίπεδα TEL στα καύσιμα αυτοκινήτων μειώθηκαν στη δεκαετία του 70 λόγω του νόμου για τον καθαρό αέρα με δύο επικαλυπτόμενα προγράμματα. Αφ’ ενός για την προστασία των καταλυτικών μετατροπέων των σύγχρονων αυτοκινήτων (καταλύτης στην εξάτμιση- καταλυτικά αυτοκίνητα), που επέβαλε τη χρήση μόνο αμόλυβδης βενζίνης για τα οχήματα αυτά καθόσον ο μόλυβδος καταστρέφει τον καταλύτη. Και αφ’ ετέρου για την προστασία της δημόσιας υγείας, που επέβαλε μειώσεις το μολύβδου σε ετήσια βάση. Η αιτία ήταν οι έντονες ανησυχίες σχετικά με τα επίπεδα μολύβδου στον αέρα και το έδαφος και τη συσσωρευμένη νευροτοξικότητα του μολύβδου. Ο TEL εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ως πρόσθετο σε ορισμένες κατηγορίες βενζίνης αεροσκαφών και σε ορισμένες αναπτυσσόμενες χώρες. 

Η Innospec ισχυρίστηκε ότι είναι η τελευταία εταιρεία που εξακολουθεί να κατασκευάζει TEL, όμως από το 2013 φαίνεται ότι ο TEL παράγεται παράνομα από αρκετές εταιρείες στην Κίνα. Από τον Ιούνιο του 2016 μόνο η Αλγερία , η Υεμένη και το Ιράκ συνεχίζουν τη διαδεδομένη χρήση μολυβδούχου βενζίνης.

Σήμερα τα διυλιστήρια παράγουν αναμορφωμένα καύσιμα με αυξημένο αριθμό οκτανίου μετατρέποντας τους ευθύγραμμους υδρονονάνθρακες σε διακλαδισμένους. Αν τα καύσιμα χρειάζονται περαιτέρω βελτίωση προστίθεται MTBE (δες στην εικόνα δεξιά οπου το κόκκινο άτομο είναι το οπου είναι ο τεταρτοταγής βούτυλικός μεθυλαιθέρας ο οποίος δρα σαν οξυγονωτικό. 

Και επίσης μια σύγχρονη οικολογική βελτίωση της βενζίνης είναι να διατίθεται σε μείγμα με αιθανόλη μια πρακτική που χρησιμοποιείται στη Βραζιλία όπου η πιο συνηθισμένη βενζίνη περιέχει 25% αιθανόλη.

Πηγές: 
en.wikipedia.org: Gasoline, en.wikipedia.org: Tetraethyllead