Альтернативное топливо — это транспортное средство , работающее на альтернативном топливе, а не на традиционном нефтяном топливе ( бензин или нефтедизель ). Этот термин также относится к любой технологии (например, электромобили , гибридные электромобили , автомобили на солнечных батареях ), приводящей в действие двигатель, который не использует исключительно нефть . [ требуется ссылка ] Из-за сочетания таких факторов, как проблемы окружающей среды и здоровья, включая изменение климата и загрязнение воздуха , высокие цены на нефть и потенциал пика добычи нефти , разработка более чистых альтернативных видов топлива и передовых систем питания для транспортных средств стала приоритетной задачей для многих правительств и производителей транспортных средств по всему миру.
Двигатели транспортных средств, работающие на бензине/бензине, впервые появились в 1860-х и 1870-х годах ; потребовалось время до 1930-х годов, чтобы они полностью вытеснили первоначальные «альтернативные» двигатели, работавшие на пару (18 век), газе (начало 19 века) или электричестве ( около 1830-х годов).
Гибридные электромобили, такие как Toyota Prius, на самом деле не являются транспортными средствами на альтернативном топливе, но благодаря передовым технологиям в электрической батарее и двигателе/генераторе они более эффективно используют нефтяное топливо. [2] Другие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области альтернативных форм энергии сосредоточены на разработке полностью электрических и топливных транспортных средств , а также на энергии, накопленной сжатым воздухом .
Экологический анализ воздействия различных видов топлива для транспортных средств выходит за рамки только эксплуатационной эффективности и выбросов, особенно если технология получает широкое распространение. Оценка жизненного цикла транспортного средства включает в себя рассмотрение производства и после использования. В целом, выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла аккумуляторных электромобилей ниже, чем выбросы от водородных, PHEV, гибридных, сжатого природного газа, бензиновых и дизельных транспортных средств. [3]
По состоянию на 2019 год на дорогах мира [обновлять]насчитывалось более 1,49 миллиарда автотранспортных средств [4] по сравнению с примерно 159 миллионами транспортных средств на альтернативном топливе и передовых технологиях, которые были проданы или переоборудованы по всему миру к концу 2022 года, в том числе:
Гибкотопливный автомобиль ( FFV) или двухтопливный автомобиль (DFF) — это автомобиль или малотоннажный грузовик на альтернативном топливе с многотопливным двигателем, который может использовать более одного топлива , обычно смешанного в одном баке, и смесь сжигается в камере сгорания вместе. Эти автомобили в разговорной речи называют flex-fuel или flexifuel в Европе или просто flex в Бразилии. FFV отличаются от двухтопливных автомобилей , где два вида топлива хранятся в отдельных баках. Наиболее распространенным коммерчески доступным FFV на мировом рынке является этаноловый гибкий топливный автомобиль , основные рынки которого сосредоточены в Соединенных Штатах, Бразилии, Швеции и некоторых других европейских странах.
Автомобили с гибким топливом на этаноле имеют стандартные бензиновые двигатели, которые могут работать на этаноле и бензине, смешанных в одном баке. Эти смеси имеют номера «E», которые описывают процентное содержание этанола в смеси, например, E85 - это 85% этанола и 15% бензина. (См. общие топливные смеси на этаноле для получения дополнительной информации.) Хотя существуют технологии, позволяющие автомобилям с FFV на этаноле работать на любой смеси вплоть до E100, [18] [19] в США и Европе автомобили с гибким топливом оптимизированы для работы на E85 . Этот предел установлен, чтобы избежать проблем с холодным запуском в очень холодную погоду.
Более 65 миллионов автомобилей, мотоциклов и легких грузовиков с гибким топливом к концу 2021 года, во главе с Бразилией с 38,3 миллионами [5] и Соединенными Штатами с 27 миллионами. [6] Другими рынками были Канада (1,6 миллиона к 2014 году), [20] и Швеция (243 100 по декабрь 2014 года). [21] [22] [23] Бразильский парк с гибким топливом включает более 4 миллионов мотоциклов с гибким топливом, произведенных с 2009 года по март 2015 года. [24] В Бразилии 65% владельцев автомобилей с гибким топливом регулярно использовали этаноловое топливо в 2009 году, [25] в то время как фактическое количество американских FFV, работающих на E85, намного ниже; опросы, проведенные в США, показали, что 68% американских владельцев автомобилей с гибким топливом не знали, что у них есть E85 flex. [18]
Были утверждения, что американские автопроизводители мотивированы производить автомобили с гибким топливом из-за лазейки в требованиях к средней корпоративной экономии топлива (CAFE), которая дает автопроизводителю «кредит экономии топлива» за каждое проданное транспортное средство с гибким топливом, независимо от того, заправляется ли транспортное средство E85 при регулярном использовании или нет. [26] Эта лазейка якобы позволяет американской автомобильной промышленности достигать целей экономии топлива CAFE не путем разработки более экономичных моделей, а путем дополнительных расходов от 100 до 200 долларов США на каждое транспортное средство для производства определенного количества моделей с гибким топливом, что позволяет им продолжать продавать менее экономичные автомобили, такие как внедорожники , которые приносили более высокую прибыль, чем меньшие, более экономичные автомобили. [27] [28]
.jpg/1280px-EV1_(6).jpg)
Электромобили на аккумуляторах (BEV), также известные как полностью электрические автомобили (AEV), являются электромобилями, основным источником энергии которых является химическая энергия аккумуляторов. BEV являются наиболее распространенной формой того, что определяется Калифорнийским советом по воздушным ресурсам (CARB) как транспортное средство с нулевым уровнем выбросов (ZEV), поскольку они не производят выбросов выхлопных газов в момент эксплуатации. Электрическая энергия, перевозимая на борту BEV для питания двигателей, получается из различных химических составов аккумуляторов, организованных в аккумуляторные блоки. Для дополнительного диапазона иногда используются прицепы-генераторы или прицепы-толкатели, образуя тип гибридного транспортного средства. Аккумуляторы, используемые в электромобилях, включают «залитые» свинцово-кислотные, абсорбированные стекломатные, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, литий-ионные, литий-полимерные и цинково-воздушные батареи.
Попытки создания жизнеспособных современных электромобилей на аккумуляторных батареях начались в 1950-х годах с появлением первого современного ( управляемого транзистором ) электромобиля — Henney Kilowatt , хотя сама концепция появилась на рынке еще в 1890 году. Несмотря на низкие продажи первых автомобилей на аккумуляторных батареях, разработка различных транспортных средств на аккумуляторных батареях продолжалась до середины 1990-х годов, и были представлены такие модели, как General Motors EV1 и Toyota RAV4 EV .
Автомобили с питанием от аккумуляторов в основном использовали свинцово-кислотные аккумуляторы и никель-металлогидридные аккумуляторы . Емкость перезарядки свинцово-кислотных аккумуляторов значительно снижается, если они регулярно разряжаются более чем на 75%, что делает их неидеальным решением. Никель-металлогидридные аккумуляторы являются лучшим выбором [ требуется ссылка ] , но они значительно дороже свинцово-кислотных. Автомобили с питанием от литий-ионных аккумуляторов , такие как Venturi Fetish и Tesla Roadster, недавно продемонстрировали превосходную производительность и запас хода и, тем не менее, используются в большинстве моделей массового производства, выпущенных с декабря 2010 года.
Расширение традиционных литий-ионных аккумуляторов, используемых преимущественно в современных электромобилях, является новой наукой, которая прокладывает путь к использованию структуры из углеродного волокна (в данном случае кузова или шасси транспортного средства) в качестве структурной батареи . Эксперименты, проводимые в Технологическом университете Чалмерса в Швеции, показывают, что в сочетании с механизмами вставки литий-ионных аккумуляторов улучшенная структура из углеродного волокна может иметь электромеханические свойства. Это означает, что сама структура из углеродного волокна может действовать как собственный аккумулятор/источник энергии для движения. Это сведет на нет необходимость в традиционных тяжелых аккумуляторных батареях, уменьшив вес и, следовательно, повысив топливную эффективность. [30]
По состоянию на декабрь 2015 года в розничную продажу поступило [update]несколько электромобилей для местных жителей , городских электромобилей и серийных электромобилей, пригодных для езды по шоссе , а также фургонов для коммунальных нужд, включая Tesla Roadster, автомобили GEM , Buddy , Mitsubishi i MiEV и его переименованные версии Peugeot iOn и Citroën C-Zero, Chery QQ3 EV , JAC J3 EV , Nissan Leaf , Smart ED , Mia electric , BYD e6 , Renault Kangoo ZE , Bolloré Bluecar , Renault Fluence ZE , Ford Focus Electric , BMW ActiveE , Renault Twizy , Tesla Model S , Honda Fit EV , RAV4 EV второго поколения , Renault Zoe , Mitsubishi Minicab MiEV , Roewe E50 , Chevrolet Spark EV , Fiat 500e , BMW i3 , Volkswagen e-Up! , Nissan e-NV200 , Volkswagen e-Golf , Mercedes-Benz B-Class Electric Drive , Kia Soul EV , BYD e5 и Tesla Model X . [31] Самым продаваемым электромобилем, разрешенным к использованию на шоссе, в мире является Nissan Leaf , выпущенный в декабре 2010 года, с мировыми продажами более 250 000 единиц по состоянию на декабрь 2016 года . [32] Tesla Model S , выпущенная в июне 2012 года, занимает второе место с мировыми продажами более 158 000 автомобилей, поставленных по состоянию на декабрь 2016 года [update]. [32] Утилита Renault Kangoo ZE является лидером сегмента легких полностью электрических автомобилей с мировыми продажами 25 205 единиц по состоянию на декабрь 2016 года. [33]
Гибридные электромобили с подключаемым модулем (PHEV) используют батареи для питания электродвигателя, а также другое топливо, такое как бензин или дизельное топливо, для питания двигателя внутреннего сгорания или другого источника движения. PHEV могут заряжать свои батареи с помощью зарядного оборудования и рекуперативного торможения . Использование электроэнергии из сети для работы автомобиля некоторое время или все время снижает эксплуатационные расходы и потребление топлива по сравнению с обычными транспортными средствами. [34]
До 2010 года большинство подключаемых гибридов на дорогах США были переделками обычных гибридных электромобилей, [35] а наиболее известные PHEV были переделками Toyota Prius 2004 года или более поздних версий, которые имели подключаемую зарядку и большее количество батарей, а также расширенный запас хода только на электричестве. [36] Китайский производитель аккумуляторов и автопроизводитель BYD Auto выпустил F3DM на китайский рынок автопарков в декабре 2008 года [37] [38] [39] и начал продажи широкой публике в Шэньчжэне в марте 2010 года. [40] [41] General Motors начала поставки Chevrolet Volt в США в декабре 2010 года. [42] Поставки розничным клиентам Fisker Karma начались в США в ноябре 2011 года.
В 2012 году были выпущены Toyota Prius Plug-in Hybrid , Ford C-Max Energi и Volvo V60 Plug-in Hybrid . В 2013 и 2015 годах были выпущены следующие модели: Honda Accord Plug-in Hybrid , Mitsubishi Outlander P-HEV , Ford Fusion Energi , McLaren P1 (ограниченный выпуск), Porsche Panamera S E-Hybrid , BYD Qin , Cadillac ELR , BMW i3 REx , BMW i8 , Porsche 918 Spyder (ограниченное производство), Volkswagen XL1 (ограниченное производство), Audi A3 Sportback e-tron , Volkswagen Golf GTE , Mercedes-Benz S 500 e , Porsche Cayenne S E-Hybrid , Mercedes-Benz C 350 e , BYD Tang , Volkswagen Passat GTE , Volvo XC90 T8 , BMW X5 xDrive40e , Hyundai Sonata PHEV и Volvo S60L PHEV .
По состоянию на декабрь 2015 года [update], с декабря 2008 года по всему миру было продано около 500 000 подключаемых гибридных электромобилей, пригодных для движения по шоссе, из общего объема мировых продаж в 1,2 миллиона легковых подключаемых электромобилей . [44] По состоянию на декабрь 2016 года [update]семейство подключаемых гибридов Volt/Ampera с совокупными продажами около 134 500 единиц является самым продаваемым подключаемым гибридом в мире. Далее следуют Mitsubishi Outlander P-HEV с примерно 119 500 единицами и подключаемый гибрид Toyota Prius с почти 78 000 единицами. [1]
Первым коммерческим транспортным средством, использовавшим этанол в качестве топлива, был Ford Model T , выпускавшийся с 1908 по 1927 год. Он был оснащен карбюратором с регулируемым впрыском, что позволяло использовать бензин или этанол, или их комбинацию. [45] [46] [47] Другие производители автомобилей также поставляли двигатели для использования этанолового топлива. [18] В Соединенных Штатах спиртовое топливо производилось в перегонных кубах из кукурузного спирта до тех пор, пока сухой закон не криминализировал производство алкоголя в 1919 году. Использование спирта в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания , как отдельно, так и в сочетании с другими видами топлива, прекратилось до скачков цен на нефть в 1970-х годах. Кроме того, дополнительное внимание было привлечено из-за его возможных экологических и долгосрочных экономических преимуществ по сравнению с ископаемым топливом.
И этанол , и метанол использовались в качестве автомобильного топлива. [48] Хотя оба могут быть получены из нефти или природного газа, этанол привлек больше внимания, потому что он считается возобновляемым ресурсом , легко получаемым из сахара или крахмала в сельскохозяйственных культурах и других сельскохозяйственных продуктах, таких как зерно , сахарный тростник , сахарная свекла или даже лактоза . Поскольку этанол встречается в природе всякий раз, когда дрожжи случайно находят сахарный раствор, такой как перезрелые фрукты, большинство организмов выработали некоторую толерантность к этанолу , тогда как метанол токсичен. Другие эксперименты включают бутанол , который также может быть получен путем ферментации растений. Поддержка этанола исходит из того факта, что это топливо из биомассы, которое решает проблему изменения климата и выбросов парниковых газов , хотя эти преимущества в настоящее время широко обсуждаются, [18] [49] [50] [51] включая жаркие дебаты 2008 года по поводу еды и топлива .
Большинство современных автомобилей, предназначенных для работы на бензине, способны работать на смеси от 10% до 15% этанола, смешанного с бензином ( E10-E15 ). С небольшим количеством модернизации автомобили с бензиновым двигателем могут работать на концентрациях этанола до 85% ( E85 ), что является максимальным значением в Соединенных Штатах и Европе из-за холодной погоды зимой, [52] или до 100% ( E100 ) в Бразилии с более теплым климатом. Этанол имеет почти на 34% меньше энергии на единицу объема, чем бензин, [53] [54] следовательно, показатели экономии топлива со смесями этанола значительно ниже, чем с чистым бензином, но это более низкое содержание энергии не приводит напрямую к сокращению пробега на 34%, потому что есть много других переменных, которые влияют на производительность конкретного топлива в конкретном двигателе, а также потому, что этанол имеет более высокое октановое число, что полезно для двигателей с высокой степенью сжатия.
По этой причине, чтобы чистые или высокоэтанольные смеси были привлекательны для пользователей, их цена должна быть ниже, чем у бензина, чтобы компенсировать более низкую экономию топлива. Как правило , местные СМИ часто советуют бразильским потребителям использовать больше алкоголя, чем бензина в своих смесях, только когда цены на этанол на 30% ниже или выше, чем на бензин, поскольку цены на этанол сильно колеблются в зависимости от результатов и сезонных урожаев сахарного тростника и региона. [55] [56] В США, и на основе тестов EPA для всех моделей E85 2006 года , средняя экономия топлива для автомобилей E85 была обнаружена на 25,56% ниже, чем у неэтилированного бензина. [18] Оцененный EPA пробег текущих американских автомобилей с гибким топливом [57] можно было бы учитывать при сравнении цен, хотя E85 имеет октановое число около 104 и может использоваться в качестве замены бензину премиум-класса. Региональные розничные цены на E85 сильно различаются по всей территории США, с более выгодными ценами в регионе Среднего Запада , где выращивается большая часть кукурузы и производится этанол. В августе 2008 года средний спред в США между ценой E85 и бензином составлял 16,9%, в то время как в Индиане он составлял 35%, в Миннесоте и Висконсине — 30% , в Мэриленде — 19% , в Калифорнии — 12–15% и в Юте — всего 3% . [58] В зависимости от возможностей транспортного средства, цена безубыточности E85 обычно должна быть на 25–30% ниже, чем у бензина. [18]
Реагируя на высокую цену на нефть и растущую зависимость от импорта, в 1975 году Бразилия запустила программу Pro-alcool , огромную субсидируемую правительством программу по производству этанолового топлива (из урожая сахарного тростника) и автомобилей на этаноле. Эти транспортные средства, работающие исключительно на этаноле, были очень популярны в 1980-х годах, но стали экономически нецелесообразными, когда цены на нефть упали, а цены на сахар выросли в конце того десятилетия. В мае 2003 года Volkswagen впервые построил коммерческий автомобиль на гибком топливе на этаноле , Gol 1.6 Total Flex. Эти автомобили имели коммерческий успех, и к началу 2009 года другие девять бразильских производителей выпускают автомобили на гибком топливе: Chevrolet , Fiat , Ford , Peugeot , Renault , Honda , Mitsubishi , Toyota , Citroën и Nissan . [13] [59] Внедрение гибкой технологии было настолько быстрым, что автомобили с гибким топливом достигли 87,6% продаж новых автомобилей в июле 2008 года. [60] По состоянию на август 2008 года парк «гибких» автомобилей и легких коммерческих автомобилей достиг 6 миллионов проданных новых автомобилей, [61] что составляет почти 19% всех зарегистрированных легких транспортных средств. [62] Быстрый успех «гибких» автомобилей, как их обычно называют, стал возможен благодаря существованию 33 000 заправочных станций с по крайней мере одним насосом для этанола, доступным к 2006 году, наследию программы Pro-alcool . [63] [26]
В Соединенных Штатах первоначальная поддержка разработки альтернативных видов топлива правительством также была ответом на нефтяной кризис 1973 года , а позднее — целью улучшения качества воздуха. Кроме того, жидкое топливо предпочиталось газообразному не только потому, что оно имело лучшую объемную плотность энергии, но и потому, что оно было наиболее совместимым с существующими системами распределения и двигателями, что позволяло избежать большого отхода от существующих технологий и использовать преимущества транспортного средства и заправочной инфраструктуры. [48] Калифорния возглавила поиск устойчивых альтернатив, проявляя интерес к метанолу . [48] В 1996 году был разработан новый FFV Ford Taurus с моделями, полностью способными работать как на метаноле, так и на этаноле, смешанном с бензином. [48] [64] Эта этаноловая версия Taurus стала первым коммерческим производством E85 FFV. [65] Импульс программ производства FFV в американских автомобильных компаниях продолжался, хотя к концу 1990-х годов акцент был сделан на версии FFV E85, как и сегодня. [48] Этанолу отдали предпочтение перед метанолом, поскольку он пользуется большой поддержкой в фермерском сообществе, а также благодаря государственным программам стимулирования и субсидиям на этанол на основе кукурузы. [66] Швеция также испытывала как автомобили M85, так и E85 flexifuel, но из-за сельскохозяйственной политики в конечном итоге акцент был сделан на автомобили ethanol flexifuel. [67]
Главное преимущество дизельных двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что они имеют эффективность сжигания топлива 44%; по сравнению с 25–30% в лучших бензиновых двигателях. [68] Кроме того, дизельное топливо имеет немного более высокую плотность энергии по объему, чем бензин. Это делает дизельные двигатели способными достигать гораздо лучшей экономии топлива, чем бензиновые транспортные средства.
Биодизель (метиловый эфир жирной кислоты) коммерчески доступен в большинстве штатов-производителей масличных культур в Соединенных Штатах. По состоянию на 2005 год он несколько дороже ископаемого дизельного топлива, хотя его по-прежнему обычно производят в относительно небольших количествах (по сравнению с нефтепродуктами и этанолом). Многие фермеры, выращивающие масличные культуры, используют смесь биодизеля в тракторах и оборудовании в качестве политики, чтобы стимулировать производство биодизеля и повышать осведомленность общественности. Иногда биодизель легче найти в сельской местности, чем в городах. Биодизель имеет более низкую плотность энергии, чем ископаемое дизельное топливо, поэтому биодизельные транспортные средства не совсем способны поспевать за топливной экономичностью транспортных средств, работающих на ископаемом дизельном топливе, если система впрыска дизельного топлива не перенастроена для нового топлива. Если время впрыска изменено с учетом более высокого цетанового числа биодизеля, разница в экономичности незначительна. Поскольку биодизель содержит больше кислорода, чем дизельное или растительное масло , он производит самые низкие выбросы от дизельных двигателей и имеет более низкие выбросы, чем бензиновые двигатели. Биодизель обладает более высокой смазывающей способностью, чем минеральное дизельное топливо, и является добавкой к европейскому дизельному топливу для улучшения смазывающей способности и снижения выбросов.
Некоторые автомобили с дизельным двигателем могут работать с небольшими модификациями на 100% чистых растительных маслах . Растительные масла имеют тенденцию загустевать (или затвердевать, если это отработанное кулинарное масло) в холодную погоду, поэтому модификации автомобиля (система с двумя баками и дизельным баком запуска/остановки) необходимы для нагрева топлива перед использованием в большинстве случаев. Нагрев до температуры охлаждающей жидкости двигателя снижает вязкость топлива до диапазона, указанного производителями систем впрыска, для систем до систем «common rail» или «injection unit (VW PD)». Отработанное растительное масло, особенно если оно использовалось в течение длительного времени, может гидрогенизироваться и иметь повышенную кислотность. Это может привести к загустеванию топлива, образованию смол в двигателе и кислотному повреждению топливной системы. У биодизеля этой проблемы нет, поскольку он химически обработан, чтобы стать нейтральным по pH и более низким по вязкости. Современные малоэмиссионные дизельные двигатели (чаще всего соответствующие стандартам Euro-3 и -4), типичные для текущего производства в европейской промышленности, потребуют значительной модификации инжекторной системы, насосов и уплотнений и т. д. из-за более высоких рабочих давлений, которые разработаны для более жидкого (нагретого) минерального дизельного топлива, чем когда-либо прежде, для распыления, если они будут использовать чистое растительное масло в качестве топлива. Растительное масло не подходит для этих транспортных средств в том виде, в котором они производятся в настоящее время. Это сокращает рынок, поскольку все большее количество новых транспортных средств не могут его использовать. Однако немецкая компания Elsbett успешно производит однобаковые топливные системы на растительном масле в течение нескольких десятилетий и работала с Volkswagen над их двигателями TDI. Это показывает, что технологически возможно использовать растительное масло в качестве топлива в высокоэффективных / малоэмиссионных дизельных двигателях.
Greasestock — ежегодное мероприятие, проводимое в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк , и являющееся одной из крупнейших выставок транспортных средств, использующих отработанное масло в качестве биотоплива в Соединенных Штатах. [69] [70] [71] [72]
Сжатый биогаз может быть использован для двигателей внутреннего сгорания после очистки сырого газа. Удаление H 2 O, H 2 S и частиц можно рассматривать как стандартное производство газа, который имеет то же качество, что и сжатый природный газ.
Сжатый природный газ высокого давления (СПГ), в основном состоящий из метана, который используется в качестве топлива для обычных двигателей внутреннего сгорания вместо бензина. Сгорание метана производит наименьшее количество CO 2 из всех видов ископаемого топлива. Автомобили на бензине могут быть модернизированы для использования в СПГ и стать двухтопливными транспортными средствами на природном газе (ТСПГ), поскольку бензобак сохраняется. Водитель может переключаться между СПГ и бензином во время работы. Транспортные средства на природном газе (ТСПГ) популярны в регионах или странах, где природный газ в изобилии. Широкое использование началось в долине реки По в Италии , а затем стало очень популярным в Новой Зеландии к восьмидесятым годам, хотя его использование сократилось. [73]
По состоянию на 2017 год в мире насчитывалось 24,5 миллиона транспортных средств, работающих на природном газе , лидером является Китай (5,35 миллиона), за которым следуют Иран (4,0 миллиона), Индия (3,05 миллиона), Пакистан (3 миллиона), Аргентина (2,3 миллиона) и Бразилия (1,78 миллиона). [10]
По состоянию на 2010 год Азиатско-Тихоокеанский регион лидировал на мировом рынке с долей в 54%. [74] В Европе они популярны в Италии (730 000), Украине (200 000), Армении (101 352), России (100 000) и Германии (91 500), [74] и они становятся все более популярными, поскольку различные производители выпускают готовые автомобили, автобусы, фургоны и большегрузные автомобили. [75] В Соединенных Штатах автобусы, работающие на сжатом природном газе, являются любимым выбором нескольких агентств общественного транспорта , с предполагаемым парком автобусов на сжатом природном газе около 130 000. [76] Другие страны, где популярны автобусы, работающие на сжатом природном газе, включают Индию, Австралию, Аргентину и Германию. [73]
Автомобили на сжатом природном газе распространены в Южной Америке, где эти автомобили в основном используются в качестве такси в крупных городах Аргентины и Бразилии. Обычно стандартные бензиновые автомобили модернизируются в специализированных мастерских, что включает установку газового баллона в багажнике, системы впрыска сжатого природного газа и электроники. Бразильский парк GNV сосредоточен в городах Рио-де-Жанейро и Сан-Паулу . [77] Pike Research сообщает, что почти 90% автомобилей на природном газе в Латинской Америке имеют двухтопливные двигатели , что позволяет этим транспортным средствам работать как на бензине, так и на сжатом природном газе. [78]
Двухтопливным транспортным средством называется транспортное средство, использующее два вида топлива одновременно (может быть газ + жидкость, газ + газ, жидкость + жидкость) с разными топливными баками.
Система дизель-СПГ с двойным топливом — это система, использующая два типа топлива: дизельное и сжатый природный газ (СПГ) одновременно. Это связано с тем, что для сгорания в дизельном двигателе необходим источник зажигания. [79]
Гибридный автомобиль использует несколько систем тяги для обеспечения движущей силы. Наиболее распространенным типом гибридного автомобиля являются гибридные автомобили с бензиново-электрическим двигателем , которые используют бензиновые (бензиновые) и электрические батареи для энергии, используемой для питания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателей. Эти двигатели обычно относительно небольшие и считаются «недостаточно мощными» сами по себе, но они могут обеспечить нормальное вождение при использовании в сочетании во время ускорения и других маневров, требующих большей мощности.
_Hybrid_liftback_(2016-04-02)_01.jpg/1280px-2016_Toyota_Prius_(ZVW50L)_Hybrid_liftback_(2016-04-02)_01.jpg)
Toyota Prius впервые поступил в продажу в Японии в 1997 году, а с 2000 года он продается по всему миру.
По состоянию на январь 2017 года [update]на нескольких мировых рынках доступно более 50 моделей гибридных электромобилей, а с момента их появления в 1997 году по всему миру было продано более 12 миллионов гибридных электромобилей. [80] [81]
Водородный автомобиль — это автомобиль, который использует водород в качестве основного источника энергии для передвижения. Эти автомобили обычно используют водород одним из двух способов: сжигание или преобразование в топливные элементы . При сгорании водород «сжигается» в двигателях по сути тем же способом, что и традиционные бензиновые автомобили. Обычный двигатель внутреннего сгорания , обычно работающий на бензине (бензине) или дизельных жидкостях, может быть преобразован для работы на газообразном водороде. Он выделяет воду в точке использования, а во время сгорания с воздухом могут образовываться NOx . [84] Однако наиболее эффективное использование водорода подразумевает использование топливных элементов и электродвигателей вместо традиционного двигателя. Водород реагирует с кислородом внутри топливных элементов, что производит электричество для питания двигателей, при этом единственным побочным продуктом отработанного водорода является вода. [85]
В настоящее время существует небольшое количество коммерчески доступных автомобилей на водородных топливных элементах : Hyundai NEXO , Toyota Mirai и ранее Honda FCX Clarity . Одной из основных областей исследований является хранение водорода , чтобы попытаться увеличить дальность действия водородных автомобилей, одновременно снижая вес, потребление энергии и сложность систем хранения. Два основных метода хранения — это металлогидриды и сжатие. Некоторые считают, что водородные автомобили никогда не будут экономически жизнеспособными, и что акцент на этой технологии — это отвлечение от разработки и популяризации более эффективных аккумуляторных электромобилей . [86]
В сегменте легковых дорожных транспортных средств к концу 2022 года во всем мире было продано 70 200 электромобилей на водородных топливных элементах [87] по сравнению с 26 миллионами подключаемых электромобилей. [88] С быстрым ростом электромобилей и связанных с ними технологий и инфраструктуры аккумуляторных батарей глобальные масштабы роли водорода в автомобилях сокращаются по сравнению с более ранними ожиданиями. [86] [89]
Электроэнергия, подаваемая от внешнего источника к транспортному средству, является стандартом в железнодорожной электрификации . В таких системах рельсы обычно образуют один полюс, в то время как другой обычно представляет собой одиночный воздушный провод или рельс, изолированный от земли.
На дорогах эта система работает не так, как описано, поскольку обычные дорожные покрытия являются очень плохими проводниками электричества; и поэтому электромобилям, питаемым от внешнего источника на дорогах, требуется как минимум два воздушных провода. Наиболее распространенным типом дорожных транспортных средств, питаемых от внешнего источника, являются троллейбусы , но есть также некоторые грузовики, работающие по этой технологии. Преимущество заключается в том, что транспортное средство может работать без перерывов на дозаправку или зарядку. Недостатки включают в себя: большую инфраструктуру электрических проводов; сложность вождения, поскольку необходимо предотвращать отсоединение провода от транспортного средства; транспортные средства не могут обгонять друг друга; опасность поражения электрическим током; и эстетическая проблема.
Беспроводная передача (см. Беспроводная передача энергии ) в принципе возможна; но инфраструктура (особенно проводка), необходимая для индуктивной или емкостной связи, будет обширной и дорогой. В принципе, также возможно передавать энергию с помощью микроволн или лазеров в транспортное средство, но это может быть неэффективно и опасно для требуемой мощности. Кроме того, в случае лазеров требуется система наведения для отслеживания транспортного средства, которое должно быть запитано, поскольку лазерные лучи имеют небольшой диаметр.
Сравнительные оценки обычных транспортных средств на ископаемом и альтернативном топливе обычно охватывают больше, чем воздействие на окружающую среду в процессе эксплуатации и эксплуатационные расходы. Они учитывают такие вопросы, как воздействие на извлечение ресурсов (например, для производства аккумуляторов или добычи ископаемого топлива), эффективность «от скважины до колеса» и интенсивность выбросов углерода в электроэнергии в различных географических регионах. [7] : 3–9 В целом, выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла транспортных средств на аккумуляторных батареях ниже, чем выбросы от водородных, PHEV, гибридных, сжатого природного газа, бензиновых и дизельных транспортных средств. [3] У электромобилей с аккумуляторными батареями выбросы ниже, чем у транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, даже в местах, где производство электроэнергии относительно углеродоемко , например, в Китае, где электроэнергия в основном вырабатывается из угля. [7]
Воздушный двигатель — это поршневой двигатель без выбросов, который использует сжатый воздух в качестве источника энергии. Первый автомобиль на сжатом воздухе был изобретен французским инженером по имени Ги Негр . Расширение сжатого воздуха может использоваться для приведения в движение поршней в модифицированном поршневом двигателе. Эффективность работы достигается за счет использования тепла окружающей среды при нормальной температуре для нагревания в противном случае холодного расширенного воздуха из резервуара для хранения. Это неадиабатическое расширение имеет потенциал для значительного повышения эффективности машины. Единственным выхлопом является холодный воздух (−15 °C), который также может использоваться для кондиционирования воздуха в автомобиле. Источником воздуха является находящийся под давлением резервуар из углеродного волокна. Воздух подается в двигатель через довольно традиционную систему впрыска. Уникальная конструкция кривошипа внутри двигателя увеличивает время, в течение которого воздушный заряд нагревается от источников окружающей среды, а двухступенчатый процесс позволяет улучшить показатели теплопередачи.
Электричество также может храниться в суперконденсаторах и сверхпроводниках. Однако сверхпроводниковое хранение не подходит для движения транспортных средств, поскольку требует экстремально низких температур и создает сильные магнитные поля. Однако суперконденсаторы могут использоваться в транспортных средствах и используются в некоторых трамваях на участках без контактного провода. Их можно заряжать во время обычных остановок, на которых пассажиры входят и выходят из поезда, но они могут проехать только несколько километров с накопленной энергией. Однако в данном случае это не проблема, поскольку следующая остановка обычно находится в пределах досягаемости.
Солнечный автомобиль — это электромобиль, работающий на солнечной энергии, получаемой от солнечных панелей автомобиля. Солнечные панели в настоящее время не могут использоваться для непосредственного снабжения автомобиля подходящим количеством энергии, но их можно использовать для расширения диапазона электромобилей. С 2022 года несколько солнечных электромобилей с различной производительностью становятся коммерчески доступными, среди прочего, от Fisker и Lightyear . [90]
Солнечные автомобили участвуют в таких соревнованиях, как World Solar Challenge и North American Solar Challenge. Эти мероприятия часто спонсируются правительственными агентствами, такими как Министерство энергетики США, стремящимися содействовать развитию альтернативных энергетических технологий, таких как солнечные элементы и электромобили. В таких соревнованиях часто участвуют университеты, чтобы развивать инженерные и технологические навыки своих студентов, а также производители автомобилей, такие как GM и Honda.
Диметиловый эфир (ДМЭ) является перспективным топливом для дизельных двигателей , [91] бензиновых двигателей (30% ДМЭ / 70% сжиженного нефтяного газа) и газовых турбин из-за его высокого цетанового числа , которое составляет 55, по сравнению с дизельным, которое составляет 40–53. [92] [93] Для перевода дизельного двигателя на сжигание ДМЭ требуются лишь умеренные модификации. Простота этого соединения с короткой углеродной цепью приводит к очень низким выбросам твердых частиц, NO x , CO во время сгорания. По этим причинам, а также из-за отсутствия серы, ДМЭ соответствует даже самым строгим нормам выбросов в Европе (EURO5), США (США 2010) и Японии (Япония 2009). [94] Mobil использует ДМЭ в своем процессе превращения метанола в бензин .
DME разрабатывается как синтетическое биотопливо второго поколения ( BioDME), которое может быть произведено из лигноцеллюлозной биомассы . [95] В настоящее время ЕС рассматривает BioDME в своей потенциальной биотопливной смеси в 2030 году; [96] Volvo Group является координатором проекта BioDME Седьмой рамочной программы Европейского сообщества [97] [98] , где пилотная установка BioDME компании Chemrec, работающая на основе газификации черного щелока , близится к завершению в Питео , Швеция. [99]
Аммиак производится путем соединения газообразного водорода с азотом из воздуха. Крупномасштабное производство аммиака использует природный газ в качестве источника водорода. Аммиак использовался во время Второй мировой войны для питания автобусов в Бельгии, а также в двигателях и солнечных батареях до 1900 года. Жидкий аммиак также служил топливом для ракетного двигателя Reaction Motors XLR99 , который приводил в действие гиперзвуковой исследовательский самолет X-15 . Хотя он не такой мощный, как другие виды топлива, он не оставлял сажи в многоразовом ракетном двигателе, а его плотность примерно соответствует плотности окислителя, жидкого кислорода, что упростило конструкцию самолета.
Аммиак был предложен в качестве практической альтернативы ископаемому топливу для двигателей внутреннего сгорания . [100] Теплотворная способность аммиака составляет 22,5 МДж/кг (9690 БТЕ /фунт), что примерно вдвое меньше, чем у дизельного топлива. В обычном двигателе, в котором водяной пар не конденсируется, теплотворная способность аммиака будет примерно на 21% меньше этой цифры. Его можно использовать в существующих двигателях с небольшими модификациями карбюраторов / инжекторов .
При производстве аммиака с использованием угля выбрасываемый CO2 имеет потенциал для секвестрации [100] [101] (продуктами сгорания являются азот и вода).
Были предложены и иногда использовались аммиачные двигатели или аммиачные двигатели, использующие аммиак в качестве рабочей жидкости . [102] Принцип аналогичен принципу, используемому в беспламенном локомотиве , но с аммиаком в качестве рабочей жидкости вместо пара или сжатого воздуха. Аммиачные двигатели использовались экспериментально в 19 веке Голдсуорти Герни в Великобритании и в трамваях в Новом Орлеане . В 1981 году канадская компания переоборудовала Chevrolet Impala 1981 года для работы с использованием аммиака в качестве топлива. [103] [104]
Аммиак и GreenNH3 успешно используются разработчиками в Канаде, [105] поскольку он может работать в двигателях с искровым зажиганием или дизельных двигателях с небольшими модификациями, а также является единственным экологически чистым топливом для реактивных двигателей, и, несмотря на свою токсичность, считается не более опасным, чем бензин или сжиженный нефтяной газ. [106] Его можно производить из возобновляемой электроэнергии, и, имея плотность в два раза ниже, чем у бензина или дизельного топлива, его можно легко перевозить в достаточных количествах в транспортных средствах. При полном сгорании он не выделяет никаких других веществ, кроме азота и водяного пара. Химическая формула сгорания: 4 NH 3 + 3 O 2 → 2 N 2 + 6 H 2 O, в результате получается 75% воды.
В 1930-х годах Тан Чжунмин создал изобретение, используя обильные ресурсы древесного угля для китайского автомобильного рынка. Автомобиль на древесном угле позже интенсивно использовался в Китае, обслуживая армию и транспортные средства после начала Второй мировой войны.
Сжиженный природный газ (СПГ) — это природный газ, охлажденный до температуры, при которой он становится криогенной жидкостью. В этом жидком состоянии природный газ более чем в 2 раза плотнее сильно сжатого СПГ. Топливные системы СПГ работают на любом транспортном средстве, способном сжигать природный газ. В отличие от СПГ, который хранится под высоким давлением (обычно 3000 или 3600 фунтов на квадратный дюйм), а затем регулируется до более низкого давления, которое может принять двигатель, СПГ хранится под низким давлением (от 50 до 150 фунтов на квадратный дюйм) и просто испаряется теплообменником перед подачей в устройства дозирования топлива в двигатель. Благодаря своей высокой плотности энергии по сравнению с СПГ, он очень подходит для тех, кто заинтересован в дальних поездках на природном газе.
В Соединенных Штатах цепочка поставок СПГ является основным фактором, сдерживающим быстрый рост этого источника топлива. Цепочка поставок СПГ очень похожа на цепочку поставок дизельного топлива или бензина. Сначала трубопроводный природный газ сжижается в больших количествах, что аналогично очистке бензина или дизельного топлива. Затем СПГ перевозится на полуприцепе на заправочные станции, где он хранится в наливных резервуарах до тех пор, пока не будет загружен в транспортное средство. С другой стороны, КПГ требует дорогостоящего сжатия на каждой станции для заполнения каскадов цилиндров высокого давления.
LPG или сжиженный нефтяной газ (LPG) — это смесь сжиженного газа низкого давления, состоящая в основном из пропана и бутана, которая сгорает в обычных бензиновых двигателях внутреннего сгорания с меньшим количеством CO2, чем бензин. Автомобили на бензине могут быть модернизированы для LPG, также известного как Autogas, и стать двухтопливными транспортными средствами, поскольку бензобак не снимается, что позволяет водителям переключаться между LPG и бензином во время работы. По оценкам, во всем мире работает 10 миллионов автомобилей.
По состоянию на декабрь 2013 года в мире насчитывалось 24,9 млн транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе , лидируют Турция с 3,93 млн, Южная Корея (2,4 млн) и Польша (2,75 млн). [9] В США 190 000 дорожных транспортных средств используют пропан, [107] а 450 000 погрузчиков используют его в качестве топлива. Однако он запрещён в Пакистане (декабрь 2013 г.), поскольку OGRA считает его представляющим риск для общественной безопасности.
Муравьиная кислота используется путем ее предварительного преобразования в водород и использования его в водородном топливном элементе . Она также может быть использована непосредственно в топливных элементах на основе муравьиной кислоты . Муравьиную кислоту гораздо легче хранить, чем водород. [108] [109]
Жидкий азот (LN2) — это метод хранения энергии. Энергия используется для сжижения воздуха, а затем LN2 производится путем испарения и распределяется. LN2 подвергается воздействию тепла окружающей среды в автомобиле, и полученный азотный газ может использоваться для питания поршневого или турбинного двигателя. Максимальное количество энергии, которое можно извлечь из LN2, составляет 213 Вт·ч/кг или 173 Вт·ч на литр, из которых максимум 70 Вт·ч/кг можно использовать с помощью процесса изотермического расширения. Такое транспортное средство с баком объемом 350 литров (93 галлона) может достигать запаса хода, аналогичного пробегу транспортного средства с бензиновым двигателем и баком объемом 50 литров (13 галлонов). Теоретические будущие двигатели, использующие каскадные циклы дозаправки, могут улучшить этот показатель примерно до 110 Вт·ч/кг с помощью процесса квазиизотермического расширения. Преимуществами являются отсутствие вредных выбросов и более высокая плотность энергии по сравнению с транспортным средством на сжатом воздухе , а также возможность заправить бак за считанные минуты.
В принципе, можно построить транспортное средство, работающее на ядерном делении или ядерном распаде. Однако есть две основные проблемы: во-первых, необходимо преобразовать энергию, которая поступает в виде тепла и излучения, в энергию, пригодную для движения. Одним из возможных вариантов было бы использование паровой турбины, как на атомной электростанции, но такое устройство заняло бы слишком много места. Более подходящим способом было бы прямое преобразование в электричество, например, с помощью термоэлементов или термоионных устройств. Вторая проблема заключается в том, что ядерное деление производит высокие уровни нейтронных и гамма-лучей, которые требуют чрезмерной защиты, что приведет к тому, что транспортное средство будет слишком большим для использования на дорогах общего пользования. Однако исследования были проведены таким образом компанией Ford Nucleon .
Лучшим способом для ядерного транспортного средства было бы использование энергии радиоактивного распада в радиоизотопных термоэлектрических генераторах , которые также очень безопасны и надежны. Требуемая защита этих устройств зависит от используемого радионуклида. Плутоний-238 как почти чистый альфа-излучатель не требует большой защиты. Поскольку цены на подходящий радионуклид высоки, а плотность энергии низкая (для генерации 1 ватта с помощью плутония-238 требуется полграмма), этот способ движения слишком дорог для широкого использования. Кроме того, радиоизотопные термоэлектрические генераторы представляют из-за своего большого содержания высокорадиоактивного материала чрезвычайную опасность в случае неправильного использования, например, террористами. Единственное транспортное средство, которое используется, которое приводится в движение радиоизотопными термоэлектрическими генераторами, - это марсоход Curiosity .
Другие формы ядерной энергии, такие как синтез и аннигиляция, в настоящее время недоступны для движения транспортных средств, поскольку не существует работающего термоядерного реактора, и сомнительно, что кто-то сможет построить его с размером, подходящим для дорожного транспортного средства. Аннигиляция, возможно, может работать в некоторых отношениях (см. привод на антиматерии ), но не существует технологий, позволяющих производить и хранить достаточное количество антиматерии.
В очень маленьких транспортных средствах потребность в мощности снижается, поэтому человеческая сила может быть использована для значительного улучшения срока службы батареи. Три таких коммерческих транспортных средства - это Sinclair C5 , ELF и TWIKE .
Маховики также могут использоваться в качестве альтернативного топлива и использовались в 1950-х годах для приведения в движение автобусов в Швейцарии, так называемых гиробусов . Маховик автобуса заряжался электроэнергией на конечных станциях линии и позволял ему проезжать до 8 километров только с помощью маховика. Транспортные средства с маховиковым приводом тише, чем транспортные средства с двигателем внутреннего сгорания, не требуют контактного провода и не вырабатывают выхлопных газов, но маховиковое устройство имеет большой вес (1,5 тонны для 5 кВт·ч) и требует особых мер безопасности из-за высокой скорости вращения.
Силаны выше гептасилана могут храниться как бензин и также могут работать как топливо. Они имеют то преимущество, что они могут гореть с азотом воздуха, но имеют большой недостаток - высокую цену и то, что их продукты сгорания твердые, что создает проблемы в двигателях внутреннего сгорания.
Энергия заведенных пружин или скрученных резиновых шнуров может быть использована для приведения в движение небольших транспортных средств. Однако этот способ хранения энергии позволяет экономить лишь небольшие количества энергии, не пригодные для приведения в движение транспортных средств, предназначенных для перевозки людей. Пружинные транспортные средства — это заводные игрушки или машинки-мышеловки .
Паровой автомобиль — это автомобиль с паровым двигателем . В качестве топлива можно использовать древесину, уголь, этанол или другие виды топлива . Топливо сжигается в котле , а тепло превращает воду в пар . Когда вода превращается в пар, она расширяется. Расширение создает давление . Давление толкает поршни вперед и назад. Это вращает приводной вал, который вращает колеса, что обеспечивает движение автомобиля вперед. Он работает как паровоз или пароход , работающий на угле . Паровой автомобиль был следующим логическим шагом в независимом транспорте.
Паровые автомобили долго заводятся, но некоторые из них в конечном итоге могут развивать скорость более 100 миль в час (161 км/ч). Паровые автомобили Doble последней модели могли быть приведены в рабочее состояние менее чем за 30 секунд, имели высокую максимальную скорость и быстрое ускорение, но были дорогими в покупке.
Паровой двигатель использует внешнее сгорание , в отличие от внутреннего сгорания. Автомобили на бензиновом двигателе более эффективны, КПД составляет около 25–28% . Теоретически паровой двигатель с комбинированным циклом , в котором горючий материал сначала используется для приведения в действие газовой турбины, может обеспечить КПД от 50% до 60%. Однако практические примеры автомобилей с паровым двигателем работают с КПД всего около 5–8%.
Самым известным и продаваемым паровым автомобилем был Stanley Steamer . Он использовал компактный жаротрубный котел под капотом для питания простого двухпоршневого двигателя, который был подключен непосредственно к задней оси. До того, как Генри Форд с большим успехом ввел ежемесячное кредитование, автомобили обычно покупались сразу. Вот почему Stanley был простым: чтобы сохранить доступную цену покупки.
Пар, получаемый при охлаждении, также может использоваться турбиной в других типах транспортных средств для выработки электроэнергии, которая может применяться в электродвигателях или храниться в аккумуляторе.
Паровую энергию можно объединить со стандартным двигателем на основе масла, чтобы создать гибрид. Вода впрыскивается в цилиндр после сгорания топлива, когда поршень все еще перегрет, часто при температуре 1500 градусов и более. Вода мгновенно испаряется в пар, используя тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую.
Ветромобили известны уже давно. Они могут быть реализованы с парусами, похожими на те, что используются на судах, с использованием бортовой ветровой турбины, которая приводит в движение колеса напрямую или вырабатывает электроэнергию для электродвигателя, или могут тянуться воздушным змеем. Ветромобилям на суше требуется огромный клиренс по высоте, особенно когда используются паруса или воздушные змеи, и они не подходят для городской местности. Ими также может быть трудно управлять. Ветромобили используются только для развлекательных мероприятий на пляжах или других свободных территориях.
Более подробно эта концепция описана здесь: [1].
Древесный газ можно использовать для питания автомобилей с обычными двигателями внутреннего сгорания, если прикрепить древесный газификатор . Это было довольно популярно во время Второй мировой войны в нескольких европейских и азиатских странах, поскольку война препятствовала легкому и экономически эффективному доступу к нефти.
Херб Хартман из Вудворда, штат Айова, в настоящее время ездит на Cadillac, работающем на дровах. Он утверждает, что прикрепил газогенератор к Cadillac всего за 700 долларов. Хартман утверждает: «Полного бункера хватит примерно на пятьдесят миль в зависимости от того, как вы им управляете», и добавляет, что раскалывание дров «трудоемко. Это большой недостаток». [110]
временем в квартальных отчетах Tesla совокупные продажи Model 3 составили 447 980 единиц на конец 2019 года.
Outlander PHEV продается в более чем 60 странах с момента запуска в 2013 году, а его глобальный совокупный объем продаж достиг 270 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 единиц по состоянию на декабрь 2020 года.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Эта последняя веха в 10 миллионов единиц была достигнута всего через девять месяцев после того, как общий объем продаж достиг 9 миллионов единиц в конце апреля 2016 года.
Yomiuri Shimbun Ver.13S стр. 1
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link), Конференция по разработке и продвижению экологически чистых большегрузных транспортных средств, таких как грузовики DME , Вашингтон, округ Колумбия, 17 марта 2006 г.{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)