Альтернативное топливо , также известное как нетрадиционное и современное топливо, [1] — это топливо , полученное из источников, отличных от нефти . [2] Альтернативные виды топлива включают газообразное ископаемое топливо, такое 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 , на транспорте , и могут способствовать декарбонизации и сокращению загрязнения . [2] [4] Также показано, что альтернативное топливо снижает выбросы неуглеродных веществ, 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 легче накапливаются.
В Европейском Союзе альтернативное топливо определяется Директивой 2014/94/EU Европейского Парламента и Совета от 22 октября 2014 года о развертывании инфраструктуры альтернативного топлива.
«Альтернативные виды топлива» означают виды топлива или источники энергии, которые служат, по крайней мере частично, заменой источников ископаемой нефти в энергоснабжении транспорта и которые потенциально могут способствовать его декарбонизации и повышению экологических показателей транспортного сектора. Они включают, в частности:
- электричество,
- водород,
- биотопливо, как определено в пункте (i) статьи 2 Директивы 2009/28/EC,
- синтетическое и парафиновое топливо,
- природный газ, включая биометан, в газообразной форме (сжатый природный газ (СПГ)) и сжиженной форме (сжиженный природный газ (СПГ)), и
- сжиженный нефтяной газ (СУГ);
— Директива 2014/94/EU Европейского парламента и Совета от 22 октября 2014 г. 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 масла и масла, полученные из отходов; и электричество. Эти виды топлива могут использоваться в специальной системе, сжигающей одно топливо, или в смешанной системе с другими видами топлива, включая традиционный бензин или дизельное топливо, например, в гибридно-электрических или транспортных средствах с гибким топливом.
— Агентство по охране окружающей среды [5]
В Канаде с 1996 года Положения об альтернативных топливах SOR/96-453 Закона об альтернативных топливах определяют альтернативное топливо:
Для целей определения альтернативного топлива в подразделе 2(1) Закона, при использовании в качестве единственного источника прямой двигательной энергии автомобиля, альтернативными видами топлива считаются:
(а) этанол;
(б) метанол;
(в) газ пропан;
(г) природный газ;
(д) водород;
(е) электричество;
(g) для целей подразделов 4(1) и 5(1) Закона – любое смешанное топливо, которое содержит не менее 50 процентов одного из видов топлива, упомянутых в пунктах (a) – (e); и
(h) для целей подразделов 4(2) и 5(2) Закона – любое смешанное топливо, содержащее одно из видов топлива, упомянутых в пунктах (a) – (e).
- Правила использования альтернативных видов топлива (SOR/96-453) [6]
В Китае автомобили на альтернативном топливе должны соответствовать техническим регламентам местного производства автомобилей на альтернативном топливе: срок годности у них должен составлять более 100 000 км, а полная зарядка должна занимать менее семи часов. До 80% заряда должно быть доступно менее чем за 30 минут зарядки. Кроме того, чисто электрические транспортные средства должны потреблять электроэнергию менее 0,16 кВтч/км. [7]
Биотопливо также считается возобновляемым источником. Хотя возобновляемая энергия используется в основном для производства электроэнергии, часто предполагается, что некоторая форма или процент возобновляемой энергии используется для создания альтернативных видов топлива. Продолжаются исследования по поиску более подходящих культур для биотоплива и повышению урожайности масла из этих культур. При нынешних объемах добычи потребуются огромные площади земли и пресной воды для производства достаточного количества нефти, которое полностью заменит использование ископаемого топлива.
Биомасса в энергетике – это живой и недавно отмерший биологический материал , который можно использовать в качестве топлива или для промышленного производства. Он стал популярен среди угольных электростанций, которые переходят с угля на биомассу, чтобы перейти на производство возобновляемой энергии без траты существующих электростанций и инфраструктуры. Биомасса чаще всего относится к растениям или материалам растительного происхождения, которые не используются в пищу или корма, и конкретно называются нитроцеллюлозной биомассой. В качестве источника энергии биомасса может использоваться либо непосредственно путем сжигания для производства тепла, либо косвенно после преобразования ее в различные формы биотоплива. [ нужна цитата ]
Биотопливо на основе водорослей рекламировалось в средствах массовой информации как потенциальная панацея от проблем транспортировки сырой нефти. Водоросли могут дать более 2000 галлонов топлива с акра в год производства. [8] Топливо на основе водорослей успешно проходит испытания в ВМС США. [9] Пластики на основе водорослей демонстрируют потенциал для сокращения отходов, и ожидается, что стоимость фунта пластика из водорослей будет дешевле, чем цены на традиционный пластик. [10]
Биодизельное топливо производится из животных жиров или растительных масел, возобновляемых ресурсов, полученных из таких растений, как атрофия, соя, подсолнечник, кукуруза, оливки, арахис, пальма, кокос, сафлор, канола, кунжут, хлопковое семя и т. д. После того, как эти жиры или масла будут отфильтрованное от углеводородов, а затем объединенное со спиртом, например метанолом, в результате этой химической реакции получается дизельное топливо. Это сырье можно либо смешивать с чистым дизельным топливом для получения различных пропорций, либо использовать отдельно. Несмотря на предпочтения в отношении смеси, биодизель выделяет меньшее количество загрязняющих веществ (частиц угарного газа и углеводородов), чем обычное дизельное топливо, поскольку биодизель сгорает более чисто и эффективно. Даже несмотря на уменьшенное количество серы в обычном дизельном топливе благодаря изобретению LSD (дизель со сверхнизким содержанием серы), биодизель превышает эти уровни, поскольку не содержит серы. [11]
Метанол и этаноловое топливо являются основными источниками энергии; они являются удобным топливом для хранения и транспортировки энергии. Эти спирты могут использоваться в двигателях внутреннего сгорания в качестве альтернативного топлива. У бутана есть еще одно преимущество: это единственное моторное топливо на спиртовой основе, которое можно легко транспортировать по существующим нефтепродуктопроводным сетям, а не только в автоцистернах и железнодорожных вагонах. [12]
В качестве топлива можно использовать аммиак (NH 3 ). [13] [14] Преимущества аммиака для судов включают сокращение выбросов парниковых газов. [15] Снижение содержания азота рассматривается как возможный компонент топливных элементов и двигателей внутреннего сгорания посредством исследования преобразования аммиака в газообразный азот и газообразный водород. [16]
Аммиак – простейшая молекула, переносящая водород в жидкой форме. Он не содержит углекислого газа и может производиться с использованием возобновляемых источников энергии. Аммиак вскоре может стать переходным топливом из-за его относительной простоты хранения и распределения. [17]
Дизельное топливо также можно эмульгировать с водой и использовать в качестве топлива. [18] Это помогает повысить эффективность двигателя и снизить выбросы выхлопных газов. [19]
Углеродно-нейтральное топливо — это синтетическое топливо , такое как метан , бензин , дизельное топливо или топливо для реактивных двигателей , произведенное из возобновляемых источников или ядерной энергии , используемое для гидрирования отходов углекислого газа , переработанных из дымовых газов электростанций или полученных из карболовой кислоты в морской воде . [20] [21] [22] [23] Такое топливо потенциально является углеродно-нейтральным , поскольку оно не приводит к чистому увеличению выбросов парниковых газов в атмосферу . [24] [25] В той степени, в которой углеродно-нейтральные виды топлива вытесняют ископаемое топливо , или если они производятся из отходов углерода или карболовой кислоты морской воды, и их сгорание подвержено улавливанию углерода в дымоходе или выхлопной трубе, они приводят к отрицательному углероду. выбросы двуокиси углерода и чистое удаление углекислого газа из атмосферы и, таким образом, представляют собой форму восстановления выбросов парниковых газов . [26] [27] [28] Такое углеродно-нейтральное и отрицательное топливо можно производить путем электролиза воды для получения водорода , используемого в реакции Сабатье для производства метана, который затем можно хранить для последующего сжигания на электростанциях в виде синтетического природного газа. , транспортироваться по трубопроводу , грузовиком или танкером или использоваться в процессах преобразования газа в жидкость, таких как процесс Фишера-Тропша, для производства традиционного транспортного или отопительного топлива . [29] [30] [31]
Углеродно-нейтральные виды топлива были предложены для распределенного хранения возобновляемой энергии , сводя к минимуму проблемы, связанные с перебоями в работе ветра и солнечной энергии , а также обеспечивая передачу энергии ветра, воды и солнечной энергии через существующие газопроводы. Такое возобновляемое топливо могло бы снизить затраты и проблемы зависимости от импортируемого ископаемого топлива, не требуя ни электрификации автопарка , ни перехода на водород или другие виды топлива, что позволит продолжать использовать совместимые и доступные по цене автомобили. [29] Германия построила завод по производству синтетического метана мощностью 250 киловатт, мощность которого планируется увеличить до 10 мегаватт. [32] [33] [34] Audi построила завод по производству углеродно-нейтрального сжиженного природного газа (СПГ) в Верльте, Германия . [35] Завод предназначен для производства транспортного топлива взамен СПГ, используемого в автомобилях A3 Sportback g-tron , и на своей первоначальной мощности может удерживать 2800 метрических тонн CO 2 в окружающей среде в год. [36] Другие коммерческие разработки происходят в Колумбии, Южная Каролина , [37] Камарилло, Калифорния , [38] и Дарлингтоне, Англия . [39]
Наименее дорогим источником углерода для переработки в топливо являются выбросы дымовых газов от сжигания ископаемого топлива , из которых его можно извлечь примерно за 7,50 долларов США за тонну. [22] [25] [30] Улавливание выхлопных газов автомобилей также считается экономичным, но потребует значительных конструктивных изменений или модернизации. [40] Поскольку угольная кислота в морской воде находится в химическом равновесии с атмосферным углекислым газом, изучалось извлечение углерода из морской воды. [41] [42] Исследователи подсчитали, что извлечение углерода из морской воды будет стоить около 50 долларов за тонну. [23] Улавливание углерода из окружающего воздуха обходится дороже, от 600 до 1000 долларов за тонну, и считается непрактичным для синтеза топлива или улавливания углерода . [25] [26]
Ночная энергия ветра считается [ кем? ] наиболее экономичный вид электроэнергии для синтеза топлива, поскольку кривая нагрузки электроэнергии резко достигает пика в самые теплые часы дня, но ночью ветер имеет тенденцию дуть немного сильнее, чем днем. Таким образом, цена энергии ветра в ночное время часто намного ниже, чем любая альтернатива. Внепиковые цены на ветроэнергию в районах с высокой интенсивностью ветровой энергетики в США в 2009 году составляли в среднем 1,64 цента за киловатт-час , но только 0,71 цента/кВтч в течение самых дешевых шести часов дня. [29] Обычно оптовая стоимость электроэнергии в течение дня стоит от 2 до 5 центов/кВтч. [43] Коммерческие компании по синтезу топлива предполагают, что они могут производить топливо дешевле, чем нефтяное топливо, когда нефть стоит более 55 долларов за баррель. [44] По оценкам ВМС США, производство судового топлива для реактивных двигателей из атомной энергетики будет стоить около 6 долларов за галлон. Хотя эта цена примерно вдвое превышала стоимость нефтяного топлива в 2010 году, ожидается, что она будет намного ниже рыночной цены менее чем через пять лет, если последние тенденции сохранятся. Более того, поскольку доставка топлива в боевую группу авианосца обходится примерно в 8 долларов за галлон, корабельное производство обходится уже гораздо дешевле. [45] Однако гражданская ядерная энергетика США значительно дороже, чем энергия ветра. [46] По оценкам ВМС, 100 мегаватт могут производить 41 000 галлонов топлива в день, что указывает на то, что наземное производство энергии ветра будет стоить менее 1 доллара за галлон. [47]
Водород является экологически чистым топливом. Побочным продуктом сжигания водорода является вода, хотя при сжигании водорода с воздухом образуются некоторые монооксиды азота NOx . [48] [49]
Еще одно топливо — муравьиная кислота. Топливо используется путем его преобразования сначала в водород и использования его в топливном элементе . Муравьиную кислоту гораздо легче хранить, чем водород. [50] [51]
HCNG (или H2CNG) представляет собой смесь сжатого природного газа и 4–9 процентов водорода по энергии. [52] Водород также можно использовать в качестве окси-газа для улучшения характеристик сгорания в двигателях с воспламенением от сжатия . [53] Гидроксидный газ получают электролизом воды. [54]
Пневматический двигатель представляет собой поршневой двигатель без выбросов, использующий в качестве топлива сжатый воздух .
Пропан — это более экологически чистое и высокоэффективное топливо, получаемое из различных источников. Он известен под многими названиями, включая пропан, LPG (сжиженный пропановый газ), LPA (автогаз жидкий пропан), Autogas и другие. Пропан — это углеводородное топливо, принадлежащее к семейству природных газов.
Пропан как автомобильное топливо имеет многие физические характеристики бензина, одновременно снижая выбросы из выхлопных труб, а также выбросы от колес в целом. Пропан является альтернативным топливом номер один в мире и предлагает обилие запасов, хранение жидкости при низком давлении, отличные показатели безопасности и значительную экономию средств по сравнению с традиционными видами топлива. [55]
Пропан имеет октановое число от 104 до 112 [56] в зависимости от состава смеси бутан/пропан. Автомобильный пропан в формате впрыска жидкости улавливает фазовый переход от жидкого состояния к газообразному в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, создавая эффект «промежуточного охладителя», снижая температуру цилиндра и увеличивая плотность воздуха. [57] Результирующий эффект обеспечивает большее опережение цикла зажигания и более эффективное сгорание двигателя.
В пропане отсутствуют присадки, моющие средства или другие химические добавки, что еще больше снижает выход выхлопных газов из выхлопной трубы. Более чистое сгорание также приводит к меньшему количеству выбросов твердых частиц, снижению выбросов NOx из -за полного сгорания газа в цилиндре, более высоким температурам выхлопных газов, повышающим эффективность катализатора, и отложению меньшего количества кислоты и углерода внутри двигателя, что продлевает срок службы смазочного материала. масло. [ нужна цитата ]
Автогаз пропан вырабатывается на скважине наряду с другим природным газом и нефтепродуктами. Это также побочный продукт процессов переработки, которые еще больше увеличивают поставки пропана на рынок.
Пропан хранится и транспортируется в жидком состоянии при давлении примерно 5 бар (73 фунта на квадратный дюйм). Заправка автомобилей по скорости подачи аналогична бензину при помощи современного заправочного оборудования. Заправочным станциям пропана требуется только насос для перекачки автомобильного топлива, и они не требуют дорогих и медленных систем сжатия по сравнению со сжатым природным газом , давление которого обычно поддерживается на уровне более 3000 фунтов на квадратный дюйм (210 бар).
В автомобильном формате пропановый автомобильный газ можно установить практически на любой двигатель и обеспечить экономию затрат на топливо и снижение выбросов, при этом будучи более эффективным как система в целом благодаря большой, уже существующей инфраструктуре заправки пропаном, которая не требует компрессоров и связанных с этим отходов. других альтернативных видов топлива в жизненном цикле скважины и колеса. [ нужна цитата ]
Сжатый природный газ (СПГ) и сжиженный природный газ (СПГ) являются двумя более чистыми горючими альтернативами обычному жидкому автомобильному топливу.
Транспортные средства, работающие на сжатом природном газе (СПГ), могут использовать как возобновляемый, так и невозобновляемый КПГ. [58]
Обычный КПГ производится из многих подземных запасов природного газа, которые сегодня широко добываются во всем мире. Новые технологии, такие как горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта для экономичного доступа к нетрадиционным газовым ресурсам, по-видимому, фундаментальным образом увеличили поставки природного газа. [59]
Возобновляемый природный газ или биогаз — это газ на основе метана со свойствами, подобными природному газу, который можно использовать 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 на свалках, обработанный для удаления следовых примесей, и синтетический природный газ (СНГ). [58]
Во всем мире этот газ используется в более чем 5 миллионах автомобилей, и чуть более 150 000 из них находятся в США [60] . Использование этого газа в Америке растет быстрыми темпами. [61]
Поскольку природный газ при сгорании выделяет меньше загрязняющих веществ, чем другие виды ископаемого топлива, качество воздуха было чище в городских населенных пунктах, перешедших на транспортные средства, работающие на природном газе. [62] Выбросы CO 2 в выхлопных трубах можно снизить на 15–25% по сравнению с бензином и дизельным топливом. [63] Наибольшие сокращения происходят в сегментах средних и тяжелых, легких грузовых автомобилей и мусоровозов. [63]
Сокращение выбросов CO 2 до 88% возможно при использовании биогаза. [64]
Природный газ, как и водород, является топливом, которое сгорает чисто; чище, чем бензиновые и дизельные двигатели. Кроме того, не выделяются никакие загрязняющие вещества, образующие смог. Водород и природный газ легче воздуха и их можно смешивать. [65]
Ядерная энергетика – это любая ядерная технология , предназначенная для извлечения полезной энергии из атомных ядер посредством контролируемых ядерных реакций . В настоящее время единственным контролируемым методом является использование ядерного деления в делящемся топливе (при этом небольшая часть энергии поступает за счет последующего радиоактивного распада ). Использование ядерного синтеза для контролируемой генерации энергии пока непрактично, но является активной областью исследований. [66]
Ядерная энергетика 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% мировой электроэнергии вырабатывается за счет атомной энергетики, и построено более 150 военно-морских кораблей с ядерными двигателями. [ нужна цитата ]
Теоретически электричество ядерных реакторов также можно использовать для движения в космосе, но это еще предстоит продемонстрировать в космическом полете. Некоторые реакторы меньшего размера, такие как ядерный реактор ТОПАЗ , построены так, чтобы свести к минимуму количество движущихся частей и использовать методы, которые более непосредственно преобразуют ядерную энергию в электричество, что делает их полезными для космических полетов, но исторически это электричество использовалось для других целей. Энергия ядерного деления использовалась на ряде космических кораблей, причем все они были беспилотными. До 1988 года Советы вывели на орбиту 33 ядерных реактора военных радиолокационных спутников RORSAT , где вырабатываемая электроэнергия использовалась для питания радара, обнаруживавшего корабли в океанах Земли. США также вывели на орбиту один экспериментальный ядерный реактор в 1965 году в рамках миссии SNAP-10A .
Атомные энергетические реакторы на основе тория в последние годы также стали областью активных исследований. Его поддерживают многие ученые и исследователи, и профессор Джеймс Хансен, бывший директор Института космических исследований имени Годдарда НАСА , как сообщается, сказал: «После более четырех десятилетий изучения изменения климата для меня стало ясно, что мир движется к климатическая катастрофа, если мы не разработаем адекватные источники энергии для замены ископаемого топлива . Более безопасная, чистая и дешевая ядерная энергия может заменить уголь и крайне необходима как неотъемлемая часть решения». [67] Торий в природе в 3–4 раза более распространен, чем уран , а его руда, монацит , обычно встречается в песках вдоль водоемов. Торий также вызвал интерес, потому что его легче получить, чем уран. В то время как урановые рудники закрыты под землей и поэтому очень опасны для горняков, торий добывается из открытых карьеров. [68] [69] Монацит присутствует в таких странах, как Австралия, США и Индия, в количествах, достаточно больших, чтобы обеспечить питание Земли в течение тысяч лет. [70] Доказано, что в качестве альтернативы ядерным реакторам на урановом топливе торий способствует распространению, производит радиоактивные отходы для глубоких геологических хранилищ , таких как технеций-99 (период полураспада более 200 000 лет), [71] и имеет более продолжительное топливо. цикл. [69]
Список экспериментальных и действующих в настоящее время реакторов на ториевом топливе см. в разделе « Ториевый топливный цикл № Список реакторов 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 ущерба окружающей среде в случае вскрытия установки. Распад радиоизотопов генерирует как тепло, так и электричество во многих космических зондах, особенно зондах, отправляющихся на внешние планеты, где солнечный свет слаб, а низкие температуры являются проблемой. Радиотермальные генераторы (РТГ), использующие радиоизотопы в качестве топлива, не поддерживают цепную ядерную реакцию, а генерируют электричество в результате распада радиоизотопа. [72]
{{cite conference}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )