Электротопливо , также известное как электронное топливо , представляет собой класс синтетического топлива , которое функционирует как альтернативное топливо для двигателей внутреннего сгорания. Оно производится с использованием уловленного диоксида углерода или оксида углерода вместе с водородом , полученным путем расщепления воды . Электролиз возможен как с традиционными источниками энергии из ископаемого топлива, так и с низкоуглеродными источниками электроэнергии, такими как энергия ветра, солнца и атомной энергии. [1] : 7 [2]
Процесс использует углекислый газ в производстве и выбрасывает примерно такое же количество углекислого газа в воздух при сжигании топлива, что обеспечивает низкий общий углеродный след. Таким образом, электротопливо является вариантом для сокращения выбросов парниковых газов от транспорта, особенно для дальних грузовых перевозок, морского и воздушного транспорта. [1] : 9–13
Основными объектами являются метанол и дизельное топливо , но также включаются другие спирты и углеродсодержащие газы, такие как метан и бутан .
Электротопливо — это углеводороды, которые искусственно синтезируются из водорода и углекислого газа. Углекислый газ может быть извлечен из трех различных источников: из окружающего воздуха (прямой захват воздуха), из точечных источников, таких как электростанции (захват углерода и утилита) или из биомассы. Для максимизации экологически безопасного производства предпочтительны атмосферный захват биомассой или прямой захват из воздуха путем прямого захвата воздуха . [3] При использовании биомассы существуют различные способы получения необходимого CO 2. Это может быть достигнуто путем производства биомом биогаза или биоэтанола. Во всех этих процессах CO 2 производится как побочный продукт и затем должен быть отделен и очищен. В процессе прямого захвата воздуха окружающий воздух всасывается и переносится в сорбент, в котором углекислый газ образует химическую связь с абсорбентом или адсорбентом, отделяя его от воздуха. Впоследствии, во время регенерации сорбента или десорбции, углекислый газ отделяется путем добавления тепловой энергии и подготавливается для дальнейшего использования или хранения. [3]
Водород можно производить разными способами. Для CO2 - нейтрального электронного топлива необходимо производить зеленый водород . [3] С помощью возобновляемой электроэнергии вода может быть разделена на ее компоненты, водород и кислород, в рамках электролиза воды.
Для производства e-fuels предоставляется синтез-газ, состоящий из водорода и углекислого газа, который затем преобразуется в углеводороды в последующем процессе синтеза, который затем может быть использован в качестве топлива. В прошлом такие процессы синтеза проводились с другими источниками углерода и водорода, и поэтому существует ряд различных типов процессов, которые можно использовать, например: [4]
• Мобильный процесс ( метанол в бензин )
Таким образом, электронное топливо является не первичным, а вторичным источником энергии. Оно позволяет использовать электроэнергию для производства топлива с высокой плотностью энергии, свойствами хранения, транспортировки и сгорания, которые благодаря своим свойствам и универсальности теоретически могут заменить их во всех возможных приложениях. Топливо химически идентично ископаемому аналогу и имеет идентичные свойства. Это сходство с ископаемым топливом позволяет использовать его не только в существующем флоте, но и в уже существующей инфраструктуре в виде морского транспорта, трубопроводов, танкеров и сетей заправочных станций. [3] При этом избегаются трудности обращения с водородом.
Электротопливо в основном рассматривается как дополнение и возможная замена топлива, используемого на транспорте, такого как реактивное топливо , дизельное топливо и мазут . [1]
Согласно исследованию «Будущие затраты на синтетическое топливо на основе электроэнергии», опубликованному в 2018 году компанией Agora Verkehrswende, синтетические виды топлива, такие как электронное топливо, нуждаются в двух предварительных условиях, чтобы иметь возможность предложить конкурентоспособную цену. Во-первых, большое количество часов полной нагрузки имеет важное значение, поскольку комплексы установок для производства электронного топлива требуют значительно больших инвестиционных затрат и, следовательно, имеют высокие фиксированные издержки. Каждый дополнительный час работы снижает издержки. Согласно исследованию, требуется не менее 3000–4000 часов полной нагрузки в год. [5]
Вторым важным аспектом является дешевая стоимость электроэнергии. Синтез электронного топлива требует очень большого количества электроэнергии и характеризуется потерями при преобразовании. Чтобы сохранить цену как можно ниже, необходимо дешевое возобновляемое электричество.
По этой причине авторы рекомендуют производить электроэнергию в солнечных и ветреных регионах вместо использования возобновляемой электроэнергии от ветровых турбин в таких регионах, как Северное море или Балтийское море. Три из рассмотренных регионов обеспечили прекрасные условия и имели потенциал для значительного снижения цены. Например, при использовании фотоэлектрических систем в Северной Африке и на Ближнем Востоке себестоимость производства синтетического жидкого топлива может достичь 11 евроцентов за киловатт-час (евроцент/кВт·ч), что эквивалентно 0,96 евро за литр или 3,63 евро за галлон к 2030 году. (3,94 доллара США за галлон на основе расчетов от 26 мая 2024 года без учета налогов). Другим примечательным местом, по мнению авторов, будет Исландия, использующая существующую геотермальную энергию. [5]
Аналогичные выводы были представлены в отчете Prognos AG, Института Фраунгофера по охране окружающей среды, безопасности и энергетическим технологиям и Немецкого центра исследований биомассы (DBF) за 2018 год. Согласно их данным, к 2050 году при производстве в регионе MENA и использовании процесса Фишера-Тропша, в зависимости от различных параметров, таких как процентные ставки, эффективность электролиза, прямые затраты на улавливание воздуха, затраты на электроэнергию, а также инвестиционные и производственные затраты среди прочего, производственные затраты могут составить от не менее 0,70 евро/л до 1,30 евро/л (2,88 долл. США за галлон и 5,34 долл. США за галлон на основе расчетов от 26 мая 2024 года), без учета налогов. [4]
Основным источником финансирования исследований жидких электротоплив для транспорта была программа Electrofuels Агентства перспективных исследовательских проектов в энергетике ( ARPA-E ), возглавляемая Эриком Туном. [6] ARPA-E, созданная в 2009 году при министре энергетики президента Обамы Стивене Чу , является попыткой Министерства энергетики повторить эффективность Агентства перспективных исследовательских проектов обороны, DARPA . Примерами проектов, финансируемых в рамках этой программы, являются усилия OPX Biotechnologies по биодизельному топливу под руководством Майкла Линча [7] и работа Дерека Ловли по микробному электросинтезу в Массачусетском университете в Амхерсте , [8] которая , как сообщается, произвела первое жидкое электротопливо с использованием CO2 в качестве сырья . [9] [10]
Первая конференция Electrofuels, спонсируемая Американским институтом инженеров-химиков, прошла в Провиденсе, Род-Айленд, в ноябре 2011 года. [11] На этой конференции директор Эрик Тун заявил, что «Программа работает уже восемнадцать месяцев, и мы знаем, что она работает. Нам нужно знать, сможем ли мы сделать ее значимой». Несколько групп вышли за рамки проверки принципа и работают над масштабированием с экономической эффективностью. Porsche в настоящее время считается лидером в этих проектах с предполагаемой стоимостью за галлон топлива в сорок пять долларов за галлон. [12]
Электротопливо может стать разрушительным , если углеродно-нейтральное электротопливо будет дешевле нефтяного топлива , и если химическое сырье, произведенное электросинтезом, будет дешевле, чем очищенное из сырой нефти . Электротопливо также имеет значительный потенциал в изменении ландшафта возобновляемой энергии, поскольку электротопливо позволяет удобно хранить возобновляемые источники из всех источников в виде жидкого топлива и сокращать сокращение . [2]
Начиная с 2014 года [update], в связи с бумом фрекинга , внимание ARPA-E сместилось с электрического сырья на сырье на основе природного газа, и, таким образом, отошло от электротоплива. [13]
В 2021 году Audi объявила, что работает над проектами e-diesel и e-benzoine . [14] Британская компания Zero , основанная в 2020 году бывшим инженером F1 Пэдди Лоу , разработала процесс, который она называет «петросинтезом», для создания устойчивого топлива и открыла опытно-конструкторский завод в деловом центре Bicester Heritage недалеко от Оксфорда . [15]
Stellantis (важные бренды: Alfa Romeo , Peugeot , Opel , Citroen и Chrysler ) объявила в сентябре 2023 года, что одобрит использование 28 миллионов автомобилей в Европе с электротопливом. Эта информация появилась после длительного процесса испытаний в сотрудничестве с Saudi Aramco. 24 семейства двигателей, установленных в Европе с 2014 года, были проверены на выбросы выхлопных газов, пускоустойчивость, производительность двигателя, надежность, долговечность, разжижение масла, топливный бак, топливные магистрали и фильтры, а также производительность топлива при экстремально низких и высоких температурах. Stellantis рассчитывает сэкономить до 400 миллионов тонн CO2 к 2050 году . [16]
В 2023 году исследование, опубликованное Центром передового опыта по энергетической безопасности НАТО, пришло к выводу, что электронное топливо предлагает один из наиболее перспективных путей декарбонизации для военной мобильности на суше, на море и в воздухе. [17]
В мире есть регионы со значительно более высоким потенциалом возобновляемой энергии, чем другие. По данным таких источников, как eFuel Alliance, правозащитная группа , оценка должна учитывать не только эффективность транспортного средства, но и то, сколько энергии, вырабатываемой энергетической системой, может быть преобразовано в кинетическую энергию. Однако этот высокий потенциал возобновляемой энергии часто существует в регионах, где спрос не так выражен. Преобразуя эту электрическую энергию в жидкие энергоносители, ее можно более эффективно транспортировать, поскольку транспортировать жидкости проще, чем электричество.
При таких обстоятельствах, согласно некоторым исследованиям, эффективность транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания может значительно возрасти, если учесть выработку электроэнергии энергетическим объектом в регионе с высоким потенциалом и сравнить часы полной нагрузки энергетических объектов как для транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, так и для аккумуляторных электромобилей. По данным Технологического института Карлсруэ, низкая эффективность двигателей внутреннего сгорания может быть компенсирована увеличением выработки электроэнергии. Некоторые благоприятные местоположения могут иметь до трех раз больше часов полной нагрузки и, таким образом, вырабатывать до трех раз больше электроэнергии, чем тот же объект с той же мощностью в других местах.
Frontier Economics в своем исследовании 2020 года обнаружила, что при использовании благоприятных мест с очень высоким потенциалом возобновляемой энергии транспортные средства с двигателем внутреннего сгорания могут достичь эффективности, аналогичной эффективности электромобилей на аккумуляторах. Эта подобная эффективность обеспечивается за счет увеличения производства электроэнергии в благоприятных местах, которое используется с помощью приложений преобразования энергии в топливо. Согласно результатам этого исследования, коэффициент эффективности составляет не 5-7, а скорее управляемый 1,6 (например, показатель «общая эффективность мобильности»). [18]
Альянс eFuel Alliance утверждает, что «перспектива отсутствия эффективности электротоплива вводит в заблуждение, поскольку для глобального энергетического перехода решающее значение имеет не степень эффективности конечного использования электроэнергии, а скорее то, насколько эффективно электроэнергия может быть произведена из возобновляемых источников энергии, а затем использована». [19]
Некоторые современные процессы, которые, как утверждается, производят электротопливо, работают на электричестве, вырабатываемом из невозобновляемого ископаемого топлива ; ученые признали необходимость этих методов на ранних стадиях производства электротоплива, несмотря на их противоречивую природу. [20]
Европейская федерация транспорта и окружающей среды , правозащитная группа , рекомендовала авиационному сектору внедрить электронный керосин, поскольку он может существенно снизить их воздействие на климат, [21] а также судоходству. [22] Также было заявлено, что использование электротоплива в автомобилях приводит к выбросам двух значительных парниковых газов помимо CO2 , улавливаемого для производства: метана (CH4 ) и закиси азота (N2O ) ; локальное загрязнение воздуха по-прежнему вызывает беспокойство, и оно в пять раз менее эффективно, чем прямая электрификация. [23]
Европа определяет класс электротоплива под названием «Возобновляемое жидкое и газообразное транспортное топливо небиологического происхождения» (RFNBO), химически такое же, как и электронное топливо в целом, но с более строгими требованиями. Электроэнергия должна вырабатываться новыми возобновляемыми несубсидированными электростанциями, расположенными в той же зоне торгов , что и объект электронного топлива, производство электроэнергии и производство электронного топлива должны происходить одновременно, а источники углерода должны быть определенных типов. [2] [24]
В сентябре 2022 года финская компания Q Power продала P2X Solutions установку по производству синтетического метана, которая будет доставлена в 2024 году в Харьявалте , Финляндия, рядом с ее заводом по производству зеленого водорода мощностью 20 МВт . [25] У Ren-Gas есть несколько проектов по производству синтетического метана в Тампере , Лахти , Котке , Миккели и Пори в Финляндии. [26]
К концу 2020 года Porsche объявила о своих инвестициях в электротопливо, включая проект Haru Oni в Чили, по созданию синтетического метанола из энергии ветра. [27] В декабре 2022 года Porsche и чилийская компания Highly Innovative Fuels открыли пилотный завод Haru Oni в Пунта-Аренасе , Чили, работающий на энергии ветра и производящий ~130 м3 электронного топлива в год на пилотном этапе, масштабируясь до 55 000 м3 в год к середине 2020-х годов и 550 000 м3 еще через два года, для экспорта через свой порт. [28] По состоянию на 2023 год этот объект может успешно производить 34 340 галлонов в год, а коммерческое применение появится позже. [29]
природный газ, высвобождаемый из сланца с помощью горизонтального бурения и гидроразрыва пласта (или фрекинга), помог закрыть такие передовые программы, как Electrofuels, попытка использования микробов для превращения дешевой электроэнергии в жидкое топливо, и положил начало таким программам, как REMOTE, попытка использования микробов для превращения дешевого природного газа в жидкое топливо.