Альтернативные виды топлива , также известные как нетрадиционные и передовые виды топлива , [1] представляют собой виды топлива, полученные из источников, отличных от нефти . [2] Альтернативные виды топлива включают в себя газообразные ископаемые виды топлива, такие как пропан , природный газ , метан и аммиак ; биотопливо, такое как биодизель , биоспирт и топливо, полученное из отходов ; и другие возобновляемые виды топлива, такие как водород и электричество . [3]
Эти виды топлива предназначены для замены более углеродоемких источников энергии, таких как бензин и дизельное топливо в транспорте , и могут способствовать декарбонизации и сокращению загрязнения . [2] [4] [5] Также показано, что альтернативное топливо снижает неуглеродные выбросы, такие как выбросы оксида азота и диоксида азота , а также диоксида серы и других вредных газов в выхлопных газах. Это особенно важно в таких отраслях, как горнодобывающая промышленность , где токсичные газы могут накапливаться легче.
В Европейском союзе альтернативное топливо определяется Директивой 2014/94/ЕС Европейского парламента и Совета от 22 октября 2014 года о развертывании инфраструктуры альтернативных видов топлива.
«альтернативные виды топлива» означают виды топлива или источники энергии, которые служат, по крайней мере частично, заменой источникам ископаемой нефти в энергоснабжении транспорта и которые имеют потенциал для содействия его декарбонизации и улучшения экологических показателей транспортного сектора. Они включают, в частности:
- электричество,
- водород,
- биотопливо, как определено в пункте (i) статьи 2 Директивы 2009/28/EC,
- синтетические и парафиновые топлива,
- природный газ, включая биометан , в газообразной форме ( сжатый природный газ (СПГ)) и сжиженной форме ( сжиженный природный газ (СПГ)), а также
- сжиженный углеводородный газ (СУГ);
— Директива 2014/94/ЕС Европейского парламента и Совета от 22 октября 2014 года о развертывании инфраструктуры альтернативных видов топлива.
В США Агентство по охране окружающей среды определяет альтернативное топливо как
Альтернативное топливо, включая газообразное топливо, такое как водород, природный газ и пропан; спирты, такие как этанол, метанол и бутанол; растительные и полученные из отходов масла; и электричество. Эти виды топлива могут использоваться в специальной системе, которая сжигает одно топливо, или в смешанной системе с другими видами топлива, включая традиционный бензин или дизельное топливо, например, в гибридно-электрических или гибких топливных транспортных средствах.
— Агентство по охране окружающей среды [6]
В Канаде с 1996 года действует Положение об альтернативных видах топлива SOR/96-453 «Закон об альтернативных видах топлива», в котором альтернативное топливо определяется следующим образом:
Для целей определения альтернативного топлива в подпункте 2(1) Закона, следующие виды топлива, используемые в качестве единственного источника прямой движущей силы транспортного средства, считаются альтернативными видами топлива:
- (а) этанол;
- (б) метанол;
- (c) пропановый газ;
- (г) природный газ;
- (д) водород;
- (е) электричество;
- (g) для целей подпунктов 4(1) и 5(1) Закона, любое смешанное топливо, которое содержит не менее 50 процентов одного из видов топлива, указанных в пунктах (a) - (e); и
- (h) для целей подпунктов 4(2) и 5(2) Закона, любое смешанное топливо, которое содержит одно из видов топлива, упомянутых в пунктах (a) - (e).
— Правила использования альтернативных видов топлива (SOR/96-453) [7]
В Китае автомобили на альтернативном топливе должны соответствовать техническим нормам для местного производства автомобилей на альтернативном топливе: они должны иметь срок годности более 100 000 километров (62 000 миль), а полная зарядка должна занимать менее семи часов. До 80% заряда должно быть доступно менее чем за 30 минут зарядки. Кроме того, чисто электрические автомобили должны потреблять электроэнергию менее 0,16 кВт·ч/км. [8]
Биотопливо также считается возобновляемым источником. Хотя возобновляемая энергия используется в основном для выработки электроэнергии, часто предполагается, что некоторая форма возобновляемой энергии или ее процент используется для создания альтернативных видов топлива. Продолжаются исследования по поиску более подходящих биотопливных культур и повышению выхода масла из этих культур. Используя текущую урожайность, для производства достаточного количества нефти, чтобы полностью заменить использование ископаемого топлива, понадобятся огромные площади земли и пресной воды.
Биомасса в энергетической промышленности — это живой и недавно умерший биологический материал , который может использоваться в качестве топлива или для промышленного производства. Он стал популярным среди угольных электростанций, которые переходят с угля на биомассу, чтобы перейти на возобновляемую генерацию энергии, не тратя впустую существующие генерирующие мощности и инфраструктуру. Биомасса чаще всего относится к растениям или материалам на основе растений, которые не используются в качестве пищи или корма, и в частности называются нитроцеллюлозной биомассой. В качестве источника энергии биомасса может использоваться либо напрямую посредством сжигания для производства тепла, либо косвенно после преобразования ее в различные формы биотоплива. [ необходима цитата ]
Биотопливо на основе водорослей рекламировалось в СМИ как потенциальная панацея от проблем транспортировки сырой нефти. Водоросли могут давать более 2000 галлонов топлива на акр в год производства. [9] Топливо на основе водорослей успешно тестируется ВМС США. [10] Пластик на основе водорослей демонстрирует потенциал для сокращения отходов, и ожидается, что стоимость за фунт пластика из водорослей будет ниже, чем традиционные цены на пластик. [11]
Биодизель производится из животных жиров или растительных масел, возобновляемых ресурсов, которые поступают из растений, таких как атрофия, соя, подсолнечник, кукуруза, оливки, арахис, пальма, кокос, сафлор, рапс, кунжут, хлопковое семя и т. д. После того, как эти жиры или масла отфильтровываются от их углеводородов, а затем смешиваются со спиртом, таким как метанол, в результате этой химической реакции получается дизельное топливо. Это сырье можно смешивать с чистым дизельным топливом для получения различных пропорций или использовать отдельно. Несмотря на предпочтения в отношении смеси, биодизель выделяет меньшее количество загрязняющих веществ ( окись углерода , твердые частицы и углеводороды ), чем обычное дизельное топливо, поскольку биодизель сгорает и чисто, и более эффективно. Даже с уменьшенным количеством серы в обычном дизельном топливе из-за изобретения LSD ( дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы ), биодизель превосходит эти уровни, поскольку он не содержит серы. [12]
Метанол и этанол являются основными источниками энергии; они являются удобными видами топлива для хранения и транспортировки энергии. Эти спирты могут использоваться в двигателях внутреннего сгорания в качестве альтернативного топлива. Бутан имеет еще одно преимущество: это единственное моторное топливо на основе спирта, которое можно легко транспортировать по существующим сетям трубопроводов для нефтепродуктов, а не только в автоцистернах и железнодорожных вагонах. [13]
Аммиак (NH 3 ) может использоваться в качестве топлива. [14] [15] Преимущества аммиака для судов включают снижение выбросов парниковых газов. [16] Снижение содержания азота рассматривается как возможный компонент для топливных элементов и двигателей внутреннего сгорания посредством исследования преобразования аммиака в газообразный азот и газообразный водород. [17]
Аммиак — простейшая молекула, которая переносит водород в жидкой форме. Он не содержит углерода и может быть получен с использованием возобновляемой энергии. Аммиак может вскоре стать переходным топливом из-за его относительной простоты хранения и распространения. [18]
Эмульгированное топливо включает в себя несколько компонентов, которые смешиваются в эмульсию типа «вода в масле», которая создается для улучшения горючих свойств топлива. [19] Дизельное топливо также может быть эмульгировано с водой для использования в качестве топлива. [20] Это помогает повысить эффективность двигателя и сократить выбросы выхлопных газов. [21]
Углеродно-нейтральное топливо — это синтетическое топливо , такое как метан , бензин , дизельное топливо или реактивное топливо , произведенное из возобновляемой или ядерной энергии, используемой для гидрогенизации отходов углекислого газа , переработанных из выхлопных газов электростанций или полученных из карболовой кислоты в морской воде . [22] [23] [24] [25] Такое топливо потенциально является углеродно-нейтральным , поскольку оно не приводит к чистому увеличению выбросов парниковых газов в атмосферу . [26] [27] В той степени, в которой углеродно-нейтральное топливо вытесняет ископаемое топливо или если оно производится из отходов углерода или карболовой кислоты из морской воды, и его сжигание подлежит улавливанию углерода в дымоходе или выхлопной трубе, оно приводит к отрицательным выбросам углекислого газа и чистому удалению углекислого газа из атмосферы и, таким образом, представляет собой форму устранения парниковых газов . [28] [29] [30] Такие углеродно-нейтральные и отрицательные виды топлива могут быть получены электролизом воды для получения водорода, используемого в реакции Сабатье для получения метана, который затем может храниться для последующего сжигания на электростанциях в качестве синтетического природного газа , транспортироваться по трубопроводу , на грузовиках или танкерах или использоваться в процессах превращения газа в жидкость, таких как процесс Фишера-Тропша, для производства традиционного транспортного или отопительного топлива . [31] [32] [33]
Углеродно-нейтральное топливо было предложено для распределенного хранения возобновляемой энергии , минимизируя проблемы ветра и прерывистости солнца и позволяя передавать энергию ветра, воды и солнца по существующим трубопроводам природного газа. Такое возобновляемое топливо могло бы облегчить проблемы затрат и зависимости от импортируемого ископаемого топлива, не требуя ни электрификации автопарка , ни перехода на водород или другие виды топлива, что позволило бы продолжать производить совместимые и доступные по цене транспортные средства. [31] Германия построила 250-киловаттный завод по производству синтетического метана, который они масштабируют до 10 мегаватт. [34] [35] [36] Audi построила углеродно-нейтральный завод по производству сжиженного природного газа (СПГ) в Верльте, Германия . [37] Завод предназначен для производства транспортного топлива для компенсации СПГ, используемого в их автомобилях A3 Sportback g-tron , и может удерживать 2800 метрических тонн CO2 из окружающей среды в год при своей первоначальной мощности. [38] Другие коммерческие разработки ведутся в Колумбии, Южная Каролина , [39] Камарильо, Калифорния , [40] и Дарлингтоне, Англия . [41]
Наименее дорогим источником углерода для переработки в топливо являются выбросы дымовых газов от сжигания ископаемого топлива , где он может быть извлечен примерно за 7,50 долларов США за тонну. [24] [27] [32] Улавливание выхлопных газов автомобилей также было предложено как экономичное, но потребует значительных изменений в конструкции или модернизации. [42] Поскольку угольная кислота в морской воде находится в химическом равновесии с атмосферным углекислым газом, изучалось извлечение углерода из морской воды. [43] [44] Исследователи подсчитали, что извлечение углерода из морской воды будет стоить около 50 долларов за тонну. [25] Улавливание углерода из окружающего воздуха обходится дороже, от 600 до 1000 долларов за тонну, и считается непрактичным для синтеза топлива или связывания углерода . [27] [28]
Ночная ветроэнергетика считается [ кем? ] наиболее экономичной формой электроэнергии для синтеза топлива, поскольку кривая нагрузки на электроэнергию резко достигает пика в самые теплые часы дня, но ветер, как правило, дует немного сильнее ночью, чем днем. Поэтому цена ночной ветроэнергетики часто намного дешевле, чем любой альтернативы. Цены на внепиковую ветроэнергетику в районах с сильным проникновением ветра в США в среднем составляли 1,64 цента за киловатт-час в 2009 году, но только 0,71 цента/кВт-ч в течение самых дешевых шести часов дня. [31] Обычно оптовая электроэнергия стоит от 2 до 5 центов/кВт-ч в течение дня. [45] Коммерческие компании по синтезу топлива предполагают, что они могут производить топливо дешевле, чем нефтяное топливо, когда нефть стоит более 55 долларов за баррель. [46] ВМС США оценивают, что судовое производство реактивного топлива с помощью ядерной энергетики будет стоить около 6 долларов за галлон. Хотя это было примерно в два раза больше стоимости нефтяного топлива в 2010 году, ожидается, что она будет намного ниже рыночной менее чем через пять лет, если недавние тенденции сохранятся. Более того, поскольку доставка топлива на авианосную боевую группу стоит около 8 долларов за галлон, производство на борту уже намного дешевле. [47] Однако гражданская ядерная энергетика США значительно дороже ветровой. [48] Оценка ВМС о том, что 100 мегаватт могут производить 41 000 галлонов топлива в день, указывает на то, что наземное производство с помощью ветровой энергии будет стоить менее 1 доллара за галлон. [49]
Водород — это топливо без выбросов. Побочным продуктом сгорания водорода является вода, хотя при сжигании водорода с воздухом образуются некоторые монооксиды азота NOx . [50] [51]
Другим топливом является муравьиная кислота. Топливо используется путем его предварительного преобразования в водород и использования его в топливном элементе . Муравьиную кислоту гораздо легче хранить, чем водород. [52] [53]
HCNG (или H2CNG) представляет собой смесь сжатого природного газа и 4–9 процентов водорода по энергии. [54] Водород также может использоваться в качестве гидроксильного газа для улучшения характеристик сгорания двигателей с воспламенением от сжатия . [55] Гидроксильный газ получают путем электролиза воды. [56]
Воздушный двигатель представляет собой поршневой двигатель без выбросов, использующий в качестве топлива сжатый воздух .
Пропан — это более чистое, высокопроизводительное топливо, получаемое из разных источников. Он известен под многими названиями, включая пропан, LPG (сжиженный пропановый газ), LPA (жидкий пропановый автогаз), автогаз и другие. Пропан — это углеводородное топливо, входящее в семейство природных газов.
Пропан как автомобильное топливо разделяет многие физические свойства бензина, при этом снижая выбросы выхлопных газов и выбросы от скважины к колесам в целом. Пропан является альтернативным топливом номер один в мире и предлагает изобилие поставок, хранение в жидком виде при низком давлении, отличные показатели безопасности и большую экономию средств по сравнению с традиционными видами топлива. [57]
Пропан обеспечивает октановое число от 104 до 112 [58] в зависимости от состава соотношения бутана/пропана в смеси. Пропановый автогаз в формате впрыска жидкости улавливает фазовый переход из жидкого в газообразное состояние внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания, создавая эффект «промежуточного охладителя», снижая температуру цилиндра и увеличивая плотность воздуха. [59] Результирующий эффект обеспечивает большее продвижение цикла зажигания и более эффективное сгорание в двигателе.
Пропан не содержит присадок, моющих средств или других химических улучшений, что еще больше снижает выход выхлопных газов из выхлопной трубы. Более чистое сгорание также имеет меньше выбросов твердых частиц, меньше NO x из-за полного сгорания газа в цилиндре, более высокие температуры выхлопных газов, повышающие эффективность катализатора, и откладывает меньше кислоты и углерода внутри двигателя, что продлевает срок службы смазочного масла. [ необходима цитата ]
Пропановый автогаз вырабатывается на скважине вместе с другими природными газами и нефтепродуктами. Он также является побочным продуктом процессов переработки, которые еще больше увеличивают поставки пропана на рынок.
Пропан хранится и транспортируется в жидком состоянии под давлением около 5 бар (73 фунта на квадратный дюйм). Заправка транспортных средств аналогична бензину по скорости доставки с помощью современного заправочного оборудования. На заправочных станциях пропаном требуется только насос для перекачивания топлива транспортного средства и не требуются дорогие и медленные системы сжатия по сравнению со сжатым природным газом , который обычно поддерживается под давлением более 3000 фунтов на квадратный дюйм (210 бар).
В транспортном средстве пропановый автогаз может быть установлен практически на любой двигатель и обеспечивает экономию топлива и снижение выбросов, будучи при этом более эффективной в качестве общей системы благодаря большой, уже существующей инфраструктуре заправки пропаном, которая не требует компрессоров и, как следствие, отходов других альтернативных видов топлива в жизненных циклах от скважины до колеса. [ необходима ссылка ]
Сжатый природный газ (СПГ) и сжиженный природный газ (СПГ) — это две более чистые горючие альтернативы традиционному жидкому автомобильному топливу.
Транспортные средства, работающие на сжатом природном газе, могут использовать как возобновляемый, так и невозобновляемый природный газ. [60]
Обычный КПГ является ископаемым топливом. Новые технологии, такие как горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта для экономически выгодного доступа к нетрадиционным газовым ресурсам, по-видимому, существенно увеличили поставки природного газа. [61]
Возобновляемый природный газ или биогаз — это газ на основе метана со свойствами, аналогичными природному газу, который может использоваться в качестве транспортного топлива. В настоящее время источниками биогаза являются в основном свалки , сточные воды и отходы животноводства/сельского хозяйства. В зависимости от типа процесса биогаз можно разделить на следующие виды: биогаз, полученный путем анаэробного сбраживания, свалочный газ, собранный со свалок, очищенный для удаления следов загрязняющих веществ, и синтетический природный газ (СПГ). [60]
СПГ используется более чем в 5 миллионах транспортных средств по всему миру, и чуть более 150 000 из них находятся в США [62]. Использование природного газа в Америке растет стремительными темпами. [63]
Поскольку при сжигании природного газа выделяется меньше загрязняющих веществ, образующих смог, чем другие виды ископаемого топлива, в городских населенных пунктах, перешедших на транспортные средства, работающие на природном газе, наблюдается более чистый воздух. [64] Выбросы CO2 в выхлопных газах можно сократить на 15–25% по сравнению с бензином и дизельным топливом. [65] Наибольшее сокращение происходит в сегментах средних и тяжелых, легких и мусоровозов. [65]
Сокращение выбросов CO2 до 88% возможно при использовании биогаза. [66]
Природный газ и водород легче воздуха и могут смешиваться друг с другом. [67]
Ядерная энергетика — это любая ядерная технология, разработанная для извлечения полезной энергии из атомных ядер посредством контролируемых ядерных реакций . В настоящее время единственный контролируемый метод использует ядерное деление в делящемся топливе (с небольшой долей энергии, получаемой в результате последующего радиоактивного распада ). Использование ядерного синтеза для контролируемой генерации энергии пока не является практичным, но является активной областью исследований. [68]
Ядерная энергия обычно требует ядерного реактора для нагрева рабочей жидкости, такой как вода, которая затем используется для создания давления пара, которое преобразуется в механическую работу с целью выработки электроэнергии или движения в воде. Сегодня более 15% электроэнергии в мире вырабатывается за счет ядерной энергии, и было построено более 150 атомных военных судов. [ необходима цитата ]
Теоретически, электричество от ядерных реакторов также может использоваться для движения в космосе, но это еще предстоит продемонстрировать в космическом полете. Некоторые меньшие реакторы, такие как ядерный реактор TOPAZ , построены так, чтобы минимизировать движущиеся части и использовать методы, которые преобразуют ядерную энергию в электричество более непосредственно, что делает их полезными для космических миссий, но это электричество исторически использовалось для других целей. Энергия от ядерного деления использовалась в ряде космических аппаратов, все из которых были беспилотными. Советы до 1988 года вывели на орбиту 33 ядерных реактора в военных радиолокационных спутниках RORSAT , где вырабатываемая электроэнергия использовалась для питания радиолокационного блока, который обнаруживал корабли в океанах Земли. США также вывели на орбиту один экспериментальный ядерный реактор в 1965 году в миссии SNAP-10A .
Ядерные энергетические реакторы на основе тория также стали областью активных исследований в последние годы. Это поддерживается многими учеными и исследователями, и профессор Джеймс Хансен, бывший директор Института космических исследований имени Годдарда в НАСА, как сообщается, сказал: «После изучения изменения климата в течение более четырех десятилетий мне стало ясно, что мир движется к климатической катастрофе, если мы не разработаем адекватные источники энергии для замены ископаемого топлива . Более безопасная, чистая и дешевая ядерная энергия может заменить уголь и отчаянно необходима как неотъемлемая часть решения». [69] Торий в 3–4 раза более распространен в природе, чем уран , и его руда, монацит , обычно встречается в песках вдоль водоемов. Торий также привлек внимание, потому что его может быть легче добыть, чем уран. В то время как урановые рудники находятся под землей и, таким образом, очень опасны для шахтеров, торий добывают из открытых карьеров. [70] [71] Монацит присутствует в таких странах, как Австралия, США и Индия, в количествах, достаточных для обеспечения Земли энергией на протяжении тысяч лет. [72] В качестве альтернативы ядерным реакторам на уране, торий, как было доказано, способствует распространению, производит радиоактивные отходы для глубоких геологических хранилищ, таких как технеций-99 (период полураспада более 200 000 лет), [73] и имеет более длительный топливный цикл. [71]
Список экспериментальных и действующих реакторов, работающих на ториевом топливе, см. в разделе Ториевый топливный цикл § Список реакторов, работающих на ториевом топливе .
Кроме того, радиоизотопы использовались в качестве альтернативного топлива как на суше, так и в космосе. Их использование на суше сокращается из-за опасности кражи изотопа и нанесения ущерба окружающей среде, если устройство будет открыто. Распад радиоизотопов генерирует как тепло, так и электричество во многих космических зондах, особенно зондах к внешним планетам, где солнечный свет слаб, а низкие температуры являются проблемой. Радиотермические генераторы (РИТЭГ), которые используют радиоизотопы в качестве топлива, не поддерживают ядерную цепную реакцию, а вместо этого генерируют электричество за счет распада радиоизотопа. [74]
{{cite conference}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )