The detonation characteristics of dimethyl ether-air, methanol-air and ethanol-air mixtures, initially at atmospheric pressure and a temperature range of 298K to 373K, were investigated in this study. Experiments were performed in a heated detonation tube, 6.1m long with an inner- diameter of 10cm. Transition to detonation was achieved for fuel-air mixtures by spark ignition and subsequent flame acceleration using orifice plate obstacles in the first half of the tube, and via a gas driver with a short orifice plate obstacle section. Cell width measurements where obtained using the soot foil technique for fuel-air mixtures inside the detonation limits. The measurements show that dimethyl ether-air, methanol-air and ethanol-air mixtures are less “sensitive” to detonation than propane-air and ethane-air mixtures, but more sensitive than methane-air mixtures, within the tested temperature range. Soot foil records also indicated the presence of substantial cellular substructure for all three fuel-air mixtures. One-dimensional detonation reaction zone length calculations were performed and fit with the measured cell width using a simple linear correlation, which resulted in an accurate representation of the data. The correlation proportionality constants for dimethyl ether-air, methanol-air and ethanol-air were obtained for the dominant cellular structure as well as the substructure. The values obtained for the substructure are comparable to values reported in the literature for typical hydrocarbons. / Thesis (Master, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2012-08-30 17:15:05.169

No description available.

Demand for liquid fuels (i.e., petroleum products) has burdened the U.S. with major challenges, including national security and economic concerns stemming from rising petroleum imports; impacts of global climate change from rising emissions of CO2; and continued public health concerns from criteria and hazardous (i.e., toxic) air pollutants. Over the last decade or so, biofuels have been touted as a supply-side solution to several of these problems. Biofuels can be produced from domestic biomass feedstocks (e.g., corn, soybeans), they have the potential to reduce GHG emissions when compared to petroleum products on a lifecycle basis, and some biofuels have been shown to reduce criteria air pollutants. Today, there are numerous policy incentives—existing and proposed—aimed at supporting the biofuels industry in the U.S. However, the Renewable Fuel Standard (RFS) Program stands as perhaps the most significant mandate imposed to date to promote the use of biofuels. Overall, the RFS stands as the key driver in a transition to biofuels in the near term. By mandating annual consumption of biofuels, increasing to 36 bgy by 2022, the program has the potential to significantly alter the state of the U.S. liquid fuels sector. Fuel transitions in the transportation sector are the focus of this thesis. More specifically, the increasing consumption of biofuels in the transportation sector, as mandated by the RFS, is examined. With a well-developed, efficient, and expensive, petroleum-based infrastructure in place, many barriers must be overcome for biofuels to play a significant role in the transportation sector. Identifying and understanding the barriers to a biofuels transition is the objective of this thesis. Although fuel transitions may seem daunting and unfamiliar, the U.S. transportation sector has undergone numerous transitions in the past. Chapter 2 reviews major fuel transitions that have occurred in the U.S. liquid fuels sector over the last half century, including the phasing out of lead additives in gasoline, the transition from MTBE to ethanol as the predominant oxygenate additive in gasoline, and the recent introduction of ULSD. These historical transitions represent the uncertainty and diversity of fuel transition pathways, and illustrate the range of impacts that can occur across the fuel supply chain infrastructure. Many pertinent lessons can be derived from these historical transitions and used to identify and assess barriers facing the adoption of alternative fuels (i.e., biofuels) and to understand how such a transition might unfold. Computer models can also help to explore the implications of fuel transitions. In order to better understand the barriers associated with fuel transitions, and to identify options for overcoming these barriers, many recent research efforts have used sophisticated modeling techniques to analyze energy transitions. Chapter 3 reviews a number of these recent modeling efforts with a focus on understanding how these methodologies have been applied, or may be adapted, to analyzing a transition to biofuels. Four general categories of models are reviewed: system dynamics, complex adaptive systems, infrastructure optimization, and economic models. In chapter 4, scenarios created from a high-level model of the liquid fuels sector (the Liquid Fuels Transition model) are presented to explore potential pathways and barriers to a biofuels transition. The scenarios illustrate different pathways to meeting the requirements of the RFS mandate, and differ based on the overall demand of liquid fuels, how the biofuels mandate is met (i.e., the mix of biofuels), and the status of the ethanol blend limit in the motor gasoline sector. The scenarios are used to evaluate the infrastructure implications associated with a biofuels transition, and illustrate the uncertainty that exists in assessing such a transition. / text

This thesis presents a comprehensive system analysis of the utilization of biowaste and forest industry residues to produce transportation fuels. It explores various aspects such as the constraints to the production system’s value chain development, the utilization of the geographical proximity of biofuel technology innovation system components, environmental impacts, and economic costs. The primary goal is to establish a knowledge base that can aid regional policymakers and decision-makers in formulating informed policies for the efficient management of local bioresources for transport fuel production. By addressing these aspects, the study seeks to contribute to the wider discourse on efficient local bioresource management and transition to a low-carbon economy. The focused bioresources in this thesis are municipal biowaste and forest industry residues (i.e., sawdust, black liquor, crude tall oil, and fiber waste of the pulp and paper industry). The study focuses on three systems: i) biowaste to biogas for transport, ii) biowaste and sawdust to hydrogen, and iii) forest industry residues to liquid biofuels for transport. The biofuel policy instruments in Sweden have proven to be effective in introducing alternative transport fuels, particularly in big cities or urban areas. The results of the biowaste to biogas value chain analysis show that development in the Gävleborg region is stagnated throughout the value chain compared to the national average. This stagnation is mainly attributed to local geodemographic factors. The identified obstacles to development include a lack of regional political agreement regarding the use of biogas as a viable transport fuel, insufficient connectivity and communication among the various regional actors and stakeholders, and a limited understanding among stakeholders of the potential and socio-economic impacts of biogas.  The environmental and economic assessment of hydrogen production from biowaste and sawdust is performed from a life cycle perspective, using SimaPro LCA software and CML-IA, 2001 impact assessment method. Economic analysis includes capital and operational expenditures and monetization cost of life cycle environmental impacts. The results show that hydrogen production from biowaste has a higher global warming, photochemical oxidant, and freshwater eutrophication potential than sawdust. Biowaste conversion to hydrogen performs far better in ozone depletion, terrestrial ecotoxicity, abiotic depletion-fossil, abiotic depletion, human toxicity, and freshwater ecotoxicity potential. The fossil energy inputs in biogas and pyrolysis oil reforming, emissions from the digestate treatment, storage, and utilization as bio-fertilizer are the main contributing processes to the overall environmental impacts of biowaste and sawdust conversion to hydrogen.  The sensitivity analysis of the LCA results indicates that feedstock to biogas/pyrolysis oil yield ratio and the type of energy source for the reforming process can significantly influence the results, particularly climate change, abiotic depletion, and human toxicity.  The life cycle cost (LCC) analysis reveals that the production of hydrogen from biowaste exhibits a lower cost compared to sawdust. This significant cost reduction in the biowaste case can be attributed to lower variable operating expenses (OPEX), primarily due to the price of the biowaste itself. Whereas, in the sawdust case, the feedstock contributes the highest percentage (54%) to the system's OPEX, indicating that variable OPEX is highly sensitive to sawdust prices. Additionally, the capital investment required for the biowaste case was 50% lower, which further contributes to the lower overall LCC compared to the sawdust case. The results of forest industry residues to liquid biofuel technology development and the utilization of system components in geographical proximity indicate that geographical proximity can significantly influence the system’s structural growth, trajectory, and development pace. An adapted version of the technological innovation system (TIS) framework was operationalized with the lens of geographical proximity utilization of the system components to the technology development and diffusion. The method of data acquisition involved document analysis and interviews with subsystem actors. The study found that the development of the system is hampered by competition between technologies and low utilization of geographical proximity of the system components, which was partly attributed to a lack of network among subsystem actors and with the national TIS structure.  Bioresources in Gävleborg are present in substantial amounts, particularly biowaste from agriculture, the food industry, and households, as well as biomass from the forest industry, which have the potential to be utilized for transport fuel production. However, the evolution of their utilization to power transportation in Gävleborg has been delayed in comparison to several other regions in Sweden. In the case of the technology development of forest industry residue-based transport fuels, the utilization of geographical proximity of artefacts and institutions has played a crucial role. Significant strides have been accomplished in diverse technology domains. However, these advancements have faced obstacles, partially due to the rivalry among system actors aiming to secure a competitive edge in acquiring both knowledge and capital resources and the underutilization of the geographical proximity of actors and industry networks.  Based on these research findings, recommendations are provided to support policy and strategy aiming to enhance the utilization of local bioresources for transportation fuels sustainably and cost-effectively with increased local benefits. For example, the study recommends addressing the identified local political, communication, and networking issues, along with integrating regional geodemographic conditions into national biofuel policies and measures. By addressing identified challenges, the Gävleborg region can overcome the stagnation in bioresource to transportation fuel technological systems development and leverage its significant potential. This thesis adds valuable insights to the sustainability transition literature about the environment, economy, and the geography of innovation processes. The findings highlight the need for policy interventions to foster collaboration, coordination, and knowledge sharing among stakeholders, as well as support for the development and commercialization of emerging technologies, including forest-based transport fuel technologies. The analysis of cost and environmental impacts of bioresource utilization for hydrogen production provides insights into the potential trade-offs and benefits of different feedstocks and impact categories. The study provides important input for policy and strategy development towards a more sustainable and cost-effective use of local bioresources for transport fuel production in Gävleborg. This study can also serve as a valuable reference for researchers, policymakers, and stakeholders interested in the sustainable utilization of renewable resources for biofuel production, contributing to the advancement of knowledge in this critical area. / Denna avhandling presenterar en omfattande systemanalys av utnyttjandet av bioavfall och skogsindustriella restprodukter för att producera drivmedel. Den utforskar olika aspekter såsom begränsningarna för produktionssystemens värdekedjeutveckling, utnyttjandet av den geografiska närheten till biobränsleteknik, innovationssystemkomponenter, miljöpåverkan och ekonomiska kostnader. Det primära målet är att etablera en kunskapsbas som kan hjälpa regionala beslutsfattare att formulera välgrundade policyer för effektiv förvaltning av lokala bioresurser för drivmedelsproduktion. Genom att ta itu med dessa aspekter försöker studien bidra till den bredare diskursen om effektiv lokal bioresursförvaltning och övergång till en koldioxidsnål ekonomi. De studerade bioresurserna i denna avhandling är kommunalt bioavfall och skogsindustrins restprodukter (d.v.s. sågspån, svartlut, råtallolja och fiberavfall från massa- och pappersindustrin). Studien fokuserar på tre system: i) Bioavfall till biogas för transport, ii) Bioavfall och sågspån till vätgas, och iii) Skogsindustrins restprodukter till flytande biobränslen för transporter. De politiska styrmedlen för biodrivmedel i Sverige har visat sig vara effektiva för att införa alternativa drivmedel, särskilt i storstäder eller tätorter. Resultaten av värdekedjeanalysen från bioavfall till biogas visar att utvecklingen i Gävleborgsregionen stagnerat i hela värdekedjan jämfört med riksgenomsnittet. Denna stagnation tillskrivs främst lokala geodemografiska faktorer. De identifierade lokala faktorer som hämmar utvecklingen är brist på regional politisk samsyn om biogas som drivmedel, bristande nätverk och kommunikation mellan regionala aktörer och intressenter samt otillräcklig kunskap hos intressenterna om biogaspotentialen och dess socioekonomiska konsekvenser. Den miljömässiga och ekonomiska bedömningen av vätgasproduktion från bioavfall och sågspån utförs ur ett livscykelperspektiv med hjälp av SimaPro LCA-programvara och CML-IA, 2001 konsekvensbedömningsmetod. Den ekonomiska analysen inkluderar kapital- och driftsutgifter och intäktsgenerering, samt kostnad för miljöpåverkan under livscykeln. Resultaten visar att vätgasproduktion från bioavfall har högre potentiellt bidrag till global uppvärmning, bildning av fotokemiska oxidanter och sötvattenövergödning än sågspån. Medan omvandling av bioavfall till väte presterar mycket bättre vad gäller potential för ozonnedbrytning, terrestrisk ekotoxicitet, abiotisk utarmning - fossil, abiotisk utarmning, mänsklig toxicitet och sötvattenekotoxicitet. Fossil energitillförsel i biogas och pyrolysoljereformering, utsläpp från rötrestbehandling, lagring och användning som biogödsel är de viktigaste bidragande processerna till den totala miljöpåverkan från omvandling av bioavfall och sågspån till väte. Känslighetsanalysen av LCA-resultaten indikerar att förhållandet mellan råmaterial och biogas/pyrolys-olja och typen av energikälla för reformeringsprocessen kan påverka resultaten avsevärt, särskilt potential för klimatförändringar, abiotisk utarmning och mänsklig toxicitet.   Livscykelkostnadsanalysen (LCC) visar att produktionen av vätgas från bioavfall ger en lägre kostnad jämfört med sågspån. Denna betydande kostnadsminskning för bioavfall kan hänföras till lägre rörliga driftskostnader (OPEX), främst på grund av priset på själva bioavfallet. När det gäller sågspån bidrar råvaran med den högsta andelen (54 %) till systemets OPEX, vilket indikerar att variabeln OPEX är mycket känslig för sågspånspriser. Dessutom var kapitalinvesteringen som krävdes för bioavfallet 50% lägre, vilket ytterligare bidrar till den lägre totala livscykelkostnaden jämfört med sågspånsfallet. Resultaten från studien av skogsindustrins rester till flytande drivmedels teknikutveckling och utnyttjande av geografisk närhet mellan systemkomponenterna indikerar att de geografiska närhetväsentligt kan påverka systemets strukturella tillväxt, utvecklingsbana och -takt. En anpassad version av ramverket för teknologiska innovationssystem (TIS) operationaliserades med fokus på utnyttjande av geografisk närhet mellan systemkomponenter för teknikutveckling och spridning. Metoden för datainsamling involverade dokumentanalys och intervjuer med delsystemaktörer. Studien fann att utvecklingen av systemet hämmas av konkurrens mellan tekniker och lågt utnyttjande av geografisk närhet mellan systemkomponenter, vilket delvis berodde på bristandenätverk bland delsystemaktörer och den nationella TIS-strukturen.  Bioresurser i Gävleborg finns i betydande mängder, särskilt bioavfall från jordbruks- och livsmedelsindustrin och från hushållen, samt biomassa från skogsindustrin, som har potential att utnyttjas för drivmedelsproduktion. Utvecklingen av deras användning för att driva transporter i Gävleborg har dock försenats jämfört med flera andra regioner i Sverige. När det gäller teknikutvecklingen för drivmedel från skogsindustrins restprodukter har utnyttjandet av geografisk närhet mellan artefakter och institutioner spelat en avgörande roll. Framstegen har dock delvis hindrats av rivalitet mellan tekniker och underutnyttjande av aktörernas och branschnätverkens geografiska närhet.   Baserat på dessa forskningsresultat ges rekommendationer för att stödja politik och strategier som syftar till att öka utnyttjandet av lokala bioresurser för transportbränslen på ett hållbart och kostnadseffektivt sätt med ökad lokal nytta. Studien rekommenderar till exempel att man tar itu med de identifierade lokala politiska, kommunikations- och nätverksfrågorna, och samtidigt verkar för att integrera de regionala geodemografiska förhållandena i den nationella biobränslepolitiken. Genom att adressera identifierade utmaningar kan Gävleborgsregionen övervinna stagnationen i utvecklingen av tekniska system för bioresurser till drivmedel och utnyttja dess betydande potential. Denna avhandling tillför värdefulla insikter till litteraturen om hållbar omställning om miljö, ekonomi och innovationsprocessers geografi. Resultaten belyser behovet av politiska insatser för att främja samarbete, samordning och kunskapsdelning mellan intressenter, samt stöd för utveckling och kommersialisering av ny teknik, inklusive skogsbaserad drivmedelsteknik. Analysen av kostnader och miljöpåverkan för bioresursutnyttjande för vätgasproduktion ger insikter i de potentiella avvägningarna och fördelarna för olika råvaror och påverkanskategorier. Studien ger viktig input för policy- och strategiutveckling mot en mer hållbar och kostnadseffektiv användning av lokala bioresurser för drivmedelsproduktion i Gävleborg. Denna studie kan också utgöra en värdefull referens för forskare, beslutsfattare och intressenter som är intresserade av hållbart utnyttjande av förnybara resurser för biobränsleproduktion, vilket bidrar till kunskapsutvecklingen inom detta kritiska område.