Введение

Альтернативное топливо, также известное как нетрадиционное и передовое топливо, – это топливо, получаемое из источников, отличных от ископаемого топлива. Альтернативные виды топлива включают газообразное ископаемое топливо, такое как пропан, природный газ, метан и аммиак; биотопливо, такое как биодизель, биоалкоголь и топливо, полученное из отходов; и другие возобновляемые виды топлива, такие как водород и электроэнергия. Эти виды топлива предназначены для замены более углеродоемких источников энергии, таких как бензин и дизельное топливо в транспортной сфере, и могут способствовать декарбонизации и сокращению загрязнения. Также показано, что альтернативное топливо снижает не-углеродные 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 легче накапливаться.

Определение в Европейском Союзе

В Европейском Союзе альтернативное топливо определяется Директивой 2014/94/EU Европейского парламента и Совета от 22 октября 2014 года о развитии инфраструктуры для альтернативных видов топлива.

Китай

В Китае транспортные средства на альтернативном топливе должны соответствовать техническим требованиям к местному производству таких транспортных средств: срок их хранения должен составлять более [укажите значение], а полная зарядка – менее семи часов. Заряд до 80% должен быть доступен менее чем за 30 минут зарядки. Кроме того, электромобили должны потреблять не более 0,16 кВтч/км электроэнергии.

Биотопливо

Биотопливо также рассматривается как возобновляемый источник. Хотя возобновляемая энергия используется главным образом для выработки электроэнергии, часто исходят из того, что та или иная форма возобновляемой энергии или её доля используется для производства альтернативного топлива. Ведутся исследования по поиску более подходящих культур для производства биотоплива и повышению их масличности. При текущих показателях урожайности для производства достаточного количества топлива, способного полностью заменить ископаемое топливо, потребуются огромные площади земли и запасы пресной воды.

Биомасса

Биомасса в энергетической промышленности – это живые и недавно отмершие биологические материалы, которые могут использоваться в качестве топлива или для промышленного производства. Она приобрела популярность среди угольных электростанций, переходящих с угля на биомассу, чтобы перейти на производство возобновляемой энергии, не выводя из эксплуатации существующие генерирующие мощности и инфраструктуру. Чаще всего под биомассой понимают растения или материалы растительного происхождения, не используемые в пищу или в качестве корма, которые также называют целлюлозной биомассой. В качестве источника энергии биомасса может использоваться напрямую посредством сжигания для производства тепла или косвенно после преобразования в различные виды биотоплива.

Топливо водорослей

Биотопливо на основе водорослей широко освещалось в СМИ как потенциальное решение транспортных проблем, связанных с нефтью. Водоросли могут давать более 2000 галлонов топлива с акра в год. Военно-морской флот США успешно испытывает топливо на основе водорослей. Пластики на основе водорослей демонстрируют потенциал для сокращения отходов, и ожидается, что стоимость фунта такого пластика будет ниже, чем у традиционных пластиков.

Биодизель

Биодизель производится из животных жиров или растительных масел – возобновляемых ресурсов, получаемых из таких растений, как рапс, соя, подсолнечник, кукуруза, оливки, арахис, пальма, кокос, сафлор, канола, кунжут, хлопчатник и другие. После фильтрации этих жиров или масел от углеводородов и их смешивания со спиртом, например, метанолом, в результате химической реакции получается дизельное топливо. Это сырье может смешиваться с чистым дизельным топливом в различных пропорциях или использоваться самостоятельно. Независимо от предпочтений в смешивании, биодизель выделяет меньше загрязняющих веществ (окиси углерода, твердых частиц и углеводородов), чем обычное дизельное топливо, поскольку он горит более чисто и эффективно. Даже дизельное топливо с пониженным содержанием серы, благодаря изобретению дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD), уступает биодизелю по этому показателю, так как биодизель не содержит серы.

Алкогольные топлива

Метанол и этанол являются основными источниками энергии и удобными для хранения и транспортировки. Эти спирты могут использоваться в двигателях внутреннего сгорания в качестве альтернативного топлива. Бутан обладает дополнительным преимуществом: он – единственный вид моторного топлива на спиртовой основе, который можно транспортировать по существующим трубопроводным сетям для нефтепродуктов, а не только автоцистернами и железнодорожными вагонами.

Аммиак

Аммиак (NH3) может использоваться в качестве топлива. Преимущества использования аммиака на судах включают снижение выбросов парниковых газов. Исследуется возможность использования восстановления азота в качестве компонента для топливных элементов и двигателей внутреннего сгорания путем преобразования аммиака в азот и водород. Аммиак – это простейшая молекула, способная переносить водород в жидком виде. Он не содержит углерода и может производиться с использованием возобновляемых источников энергии. Благодаря относительной простоте хранения и транспортировки, аммиак может в ближайшее время стать переходным видом топлива.

Эмульсионное топливо

Эмульгированные топлива состоят из множества компонентов, смешанных в эмульсию типа «вода в масле», что делается для улучшения горючих свойств топлива. Дизельное топливо также может быть эмульгировано с водой для использования в качестве топлива. Это способствует повышению эффективности двигателя и снижению выбросов отработавших газов.

Нейтральные и отрицательные по содержанию углерода виды топлива

Углеродно-нейтральное топливо – это синтетическое топливо, такое как метан, бензин, дизельное топливо или авиакеросин, производимое из возобновляемой или ядерной энергии, используемой для гидрирования отходов углекислого газа, рециркулированного из дымовых газов электростанций или полученного из угольной кислоты в морской воде. Такие виды топлива потенциально углеродно-нейтральны, поскольку не приводят к чистому увеличению концентрации атмосферных парниковых газов. В той мере, в которой углеродно-нейтральное топливо замещает ископаемое топливо, или если оно производится из отходов углерода или угольной кислоты из морской воды, и его сжигание сопровождается улавливанием углерода в дымоходе или выхлопной трубе, оно приводит к отрицательным выбросам углекислого газа и чистому удалению углекислого газа из атмосферы, тем самым являясь формой восстановления парникового баланса. Такое углеродно-нейтральное и отрицательное топливо может быть получено путем электролиза воды для получения водорода, используемого в реакции Сабатье для производства метана, который затем может быть сохранен для последующего сжигания на электростанциях в качестве синтетического природного газа, транспортировки по трубопроводам, грузовиками или танкерами, или использован в процессах преобразования газа в жидкость, таких как процесс Фишера-Тропша, для производства традиционного транспортного или отопительного топлива. Углеродно-нейтральное топливо предлагается для распределенного хранения возобновляемой энергии, минимизируя проблемы прерывистости ветровой и солнечной энергии и обеспечивая передачу энергии ветра, воды и солнца по существующим газопроводам. Такое возобновляемое топливо может снизить затраты и зависимость от импортируемого ископаемого топлива, не требуя электрификации автопарка или перехода на водород или другие виды топлива, что позволит сохранить совместимость и доступность транспортных средств. Компания Audi построила углеродно-нейтральный завод по производству сжиженного природного газа (СПГ) в Верльте, Германия. Завод предназначен для производства транспортного топлива, компенсирующего потребление СПГ автомобилями A3 Sportback g tron, и способен удерживать 2800 метрических тонн CO2 от попадания в окружающую среду в год при его начальной мощности. Другие коммерческие разработки ведутся в Колумбии (Южная Каролина), Камарильо (Калифорния) и Дарлингтоне (Англия). Наименее дорогим источником углерода для переработки в топливо являются выбросы дымовых газов от сжигания ископаемого топлива, где его можно извлечь примерно за 7,50 долларов США за тонну. Поскольку угольная кислота в морской воде находится в химическом равновесии с атмосферным углекислым газом, изучались возможности извлечения углерода из морской воды. Исследователи оценили, что извлечение углерода из морской воды будет стоить около 50 долларов за тонну. Коммерческие компании по синтезу топлива утверждают, что могут производить топливо дешевле нефтяного, когда стоимость нефти превышает 55 долларов за баррель. Военно-морской флот США оценивает, что производство авиакеросина на борту корабля из ядерной энергии обойдется примерно в 6 долларов за галлон. Хотя в 2010 году это было примерно вдвое дороже стоимости нефтяного топлива, ожидается, что менее чем через пять лет оно будет значительно ниже рыночной цены, если текущие тенденции сохранятся. Более того, поскольку доставка топлива авианосной ударной группе обходится примерно в 8 долларов за галлон, производство на борту уже значительно дешевле. Однако гражданская ядерная энергетика в США значительно дороже ветровой энергии. Оценка ВМС, согласно которой 100 мегаватт мощности могут производить 41 000 галлонов топлива в день, указывает на то, что наземное производство из ветровой энергии будет стоить менее 1 доллара за галлон.

Водород и муравьиная кислота

Водород – это экологически чистое топливо. Продуктом сгорания водорода является вода, хотя при сжигании водорода на воздухе образуются также небольшие количества монооксидов азота NOx. Другим видом топлива является муравьиная кислота. Это топливо используется путем предварительного преобразования в водород, который затем применяется в топливном элементе. Муравьиную кислоту гораздо проще хранить, чем водород.

Смесь водород/сжатый природный газ

HCNG (или H2CNG) — это смесь сжатого природного газа и 4–9 процентов водорода по энергии. Водород также может использоваться в качестве гидроксигаза для улучшения характеристик сгорания двигателей с компрессионным зажиганием. Гидроксигаз получают путем электролиза воды.

Сжатый воздух

Воздушный двигатель — это поршневой двигатель, не производящий выбросов, использующий сжатый воздух в качестве топлива.

Пропан автогаз

Пропан – это чисто сгорающее, высокоэффективное топливо, получаемое из различных источников. Он известен под многими названиями, включая пропан, LPG (сжиженный пропан-газ), LPA (жидкий пропан-автогаз), Autogas и другие. Пропан – это углеводородное топливо, относящееся к семейству природных газов. В качестве автомобильного топлива пропан обладает многими физическими свойствами бензина, одновременно снижая выбросы из выхлопной трубы и общие выбросы от скважины до колеса. Пропан является самым распространенным альтернативным топливом в мире и предлагает обильные запасы, хранение в жидком состоянии при низком давлении, отличные показатели безопасности и значительную экономию средств по сравнению с традиционными видами топлива. Октановое число пропана варьируется от 104 до 112 в зависимости от соотношения бутана и пропана в смеси. Пропан-автогаз в формате жидкого впрыска использует фазовый переход из жидкого состояния в газообразное внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания, создавая эффект "интеркулера", снижая температуру цилиндра и увеличивая плотность воздуха. Этот эффект позволяет более раннее зажигание и более эффективное сгорание топлива в двигателе. Пропан не содержит присадок, моющих средств или других химических добавок, что дополнительно снижает количество вредных веществ в выхлопных газах. Более чистое сгорание также приводит к меньшему образованию твердых частиц, снижению выбросов NOx благодаря полному сгоранию газа в цилиндре, повышению температуры выхлопных газов, что увеличивает эффективность катализатора, и уменьшению отложений кислоты и углерода внутри двигателя, продлевая срок службы смазочного масла. Пропан-автогаз образуется на скважине вместе с другими природными газами и нефтепродуктами, а также является побочным продуктом процессов переработки, что увеличивает его доступность на рынке. Пропан хранится и транспортируется в жидком состоянии под давлением около [вставить значение давления]. Заправка транспортных средств по скорости не отличается от заправки бензином при использовании современного оборудования. Автозаправочные станции для пропана требуют только насос для перекачки топлива и не нуждаются в дорогостоящих и медленных системах компрессии, в отличие от станций для сжатого природного газа, который обычно хранится под давлением более [вставить значение давления]. В транспортном исполнении пропан-автогаз можно установить практически на любой двигатель, обеспечивая экономию топлива и снижение выбросов, а также повышая общую эффективность системы благодаря развитой инфраструктуре заправки пропаном, которая не требует компрессоров и, как следствие, потерь, характерных для других альтернативных видов топлива при расчете жизненного цикла от скважины до колеса.

Сжатый природный газ

Сжатый природный газ (СПГ) и сжиженный природный газ (СПГ) — две более экологичные горючие альтернативы традиционным жидким видам автомобильного топлива.

Типы топлива, содержащего сжатый природный газ

Транспортные средства на КПГ могут использовать как возобновляемый КПГ, так и невозобновляемый КПГ. Традиционный КПГ является ископаемым топливом. Новые технологии, такие как горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта для экономически эффективной добычи нетрадиционных газовых ресурсов, по всей видимости, фундаментально увеличили поставки природного газа. Возобновляемый природный газ или биогаз – это газ на основе метана, обладающий свойствами, аналогичными природному газу, и пригодный для использования в качестве транспортного топлива. Основными источниками биогаза в настоящее время являются полигоны твердых бытовых отходов, сточные воды и отходы животноводства/сельского хозяйства. В зависимости от технологии производства, биогаз можно разделить на следующие виды: биогаз, полученный в результате анаэробного сбраживания, полигонный газ, собранный на полигонах и очищенный от примесей, и синтетический природный газ (СПГ). Использование в США растет стремительными темпами.

Анализ окружающей среды

Поскольку при сжигании природный газ образует меньше загрязняющих веществ, вызывающих смог, чем другие ископаемые виды топлива, в городских населенных пунктах, перешедших на транспортные средства, работающие на природном газе, зафиксировано улучшение качества воздуха. Выбросы из выхлопной трубы могут быть снижены на 15–25% по сравнению с бензином и дизельным топливом. Наибольшее снижение наблюдается в сегментах среднетоннажных и тяжелых, легковых и мусоровозов. Природный газ и водород оба легче воздуха и могут смешиваться.

Ядерные реакторы

Ядерная энергия – это любая ядерная технология, предназначенная для извлечения полезной энергии из атомных ядер посредством контролируемых ядерных реакций. В настоящее время единственным контролируемым методом является ядерное деление в делящемся топливе (небольшая доля энергии поступает от последующего радиоактивного распада). Использование ядерного синтеза для контролируемой выработки энергии пока не представляется практичным, но является активной областью исследований. Ядерная энергия, как правило, требует ядерного реактора для нагрева рабочего тела, такого как вода, которое затем используется для создания давления пара, преобразуемого в механическую работу для выработки электроэнергии или создания тяги в воде. Сегодня более 15% электроэнергии в мире производится с помощью ядерной энергии, и построено более 150 атомных надводных кораблей. Теоретически, электроэнергия от ядерных реакторов также может использоваться для создания тяги в космосе, но это пока не было продемонстрировано в космическом полёте. Некоторые небольшие реакторы, такие как ядерный реактор ТОПАЗ, создаются для минимизации количества движущихся частей и использования методов, которые более непосредственно преобразуют ядерную энергию в электричество, что делает их полезными для космических миссий, однако эта электроэнергия исторически использовалась для других целей. Энергия, полученная от ядерного деления, применялась на ряде космических аппаратов, все из которых были беспилотными. Советский Союз до 1988 года выводил на орбиту 33 ядерных реактора на военных радиолокационных спутниках РОРСАТ, где вырабатываемая электроэнергия использовалась для питания радиолокационного комплекса, обнаруживающего корабли в океанах Земли. США также вывели на орбиту один экспериментальный ядерный реактор в 1965 году в рамках миссии SNAP 10A.

Ториевые ядерные реакторы

В последние годы ториевые ядерные реакторы также стали областью активных исследований. Их поддерживают многие ученые и исследователи, и, как сообщается, профессор Джеймс Хансен, бывший директор Института космических исследований Годдарда НАСА, заявил: "После изучения изменения климата более четырех десятилетий мне стало ясно, что мир движется к климатической катастрофе, если мы не разработаем достаточные источники энергии для замены ископаемого топлива. Более безопасная, чистая и дешевая ядерная энергия может заменить уголь и отчаянно необходима как важная часть решения". Торий в природе встречается в 3–4 раза чаще, чем уран, а его руда, моназит, обычно обнаруживается в песках вдоль водоемов. Торий также вызывает интерес, поскольку его добыча может быть проще, чем урана. Если урановые шахты находятся под землей и поэтому очень опасны для шахтеров, то торий добывают в открытых карьерах. Моназит присутствует в таких странах, как Австралия, Соединенные Штаты и Индия, в количествах, достаточных для обеспечения энергией Земли на протяжении тысяч лет. В качестве альтернативы ядерным реакторам, работающим на уране, доказано, что торий способствует распространению ядерного оружия, производит радиоактивные отходы для глубоких геологических хранилищ, такие как технеций-99 (период полураспада более 200 000 лет), и имеет более длительный топливный цикл.