Combustibilii alternativi pentru automobile sunt combustibili care furnizează putere unui motor de automobile și exclud utilizarea combustibililor pe bază de petrol (cum ar fi benzina și motorina ) complet sau într-o anumită măsură (inclusiv cei menționați ca aditivi în combustibilii petrolieri) atunci când motorul cu tehnologie de putere nu este asociat exclusiv cu produsele petroliere. Într-un sens mai larg, este un alt combustibil decât petrolul tradițional (benzină sau motorină); și se referă, de asemenea, la orice tehnologie de putere a motorului care nu utilizează exclusiv benzină (de exemplu, vehicule electrice, vehicule electrice hibride alimentate cu energie solară). Datorită unei combinații de factori, cum ar fi problemele de mediu legate de extracția și utilizarea produselor petroliere, prețurile ridicate ale petrolului și potențialul de epuizare a rezervelor de petrol, dezvoltarea de combustibili alternativi mai curați și sisteme avansate de alimentare a vehiculelor a devenit o prioritate pentru multe guverne și producători de vehicule din întreaga lume. Vehiculele cu combustibil alternativ includ: vehicule electrice , vehicule hibride electrice , vehicule cu combustibil flexibil (vehicule Flex-fuel ), vehicule cu gaz natural comprimat , vehicule electrice alimentate cu energie solară , vehicule cu biodiesel și vehicule pe hidrogen . . Vehiculele experimentale și mai puțin obișnuite pot fi incluse în aceeași categorie. precum o mașină cu abur sau o mașină alimentată de un reactor nuclear compact.
Calculele arată că aproximativ 30% din necesarul total de combustibil poate fi înlocuit cu biocombustibili fără a afecta reducerea producției de alimente. [2] .
Nu toate definițiile oficiale sunt aceleași.
În Uniunea Europeană, combustibilii alternativi sunt definiți prin Directiva 2014/94/UE a Parlamentului European și a Consiliului din 22 octombrie 2014 privind implementarea infrastructurii pentru combustibili alternativi.
„combustibili alternativi” înseamnă combustibili sau surse de energie care servesc, cel puțin parțial, ca substitut pentru sursele de combustibili fosili în furnizarea de energie a transporturilor și care pot contribui la decarbonizarea acestuia și la îmbunătățirea performanței de mediu a sectorului transporturilor. Printre altele, acestea includ:
— Directiva 2014/94/UE a Parlamentului European și a Consiliului din 22 octombrie 2014 privind implementarea infrastructurii pentru combustibilii alternativi.
În SUA, EPA definește combustibilii alternativi ca
Combustibili alternativi, inclusiv combustibili gazoși, cum ar fi hidrogenul, gazul natural și propanul; alcooli cum ar fi etanol, metanol şi butanol; uleiuri vegetale și uleiuri uzate; și electricitate. Acești combustibili pot fi utilizați într-un sistem dedicat care arde un singur combustibil sau într-un sistem mixt cu alți combustibili, inclusiv benzină convențională sau motorină, cum ar fi vehiculele hibrid-electrice sau utilitare.
— Agenția pentru Protecția Mediului [3]
În Canada, din 1996, în Regulamentele privind combustibilii alternativi SOR/96-453, Legea privind combustibilii alternativi definește combustibilii alternativi ca:
În sensul definiției combustibililor alternativi din subsecțiunea 2(1) din lege, următorii combustibili utilizați ca unică sursă de energie pentru propulsia directă a vehiculelor sunt considerați combustibili alternativi:
- Reguli pentru utilizarea combustibililor alternativi (SOR/96-453) [4]
Combustibilii alternativi includ combustibili sintetici și regenerabili, adesea denumiți combustibili „durabili” (deoarece acești combustibili nu sunt limitați de rezervele minerale). Combustibilii sintetici sunt produși din cărbune, gaz natural sau alte materii prime de hidrocarburi, cum ar fi biomasa, folosind procesul Fischer-Tropsch sau procesul Bergius . În primul caz, alimentarea este gazeificată pentru a crea un amestec de monoxid de carbon și hidrogen ( gaz de sinteză ), care este apoi recombinat pentru a forma un combustibil lichid de hidrocarbură. Combustibilii regenerabili sunt produși din surse biologice de materii prime, cum ar fi lipidele vegetale, grăsimile și uleiurile. Lipidele sunt procesate pentru transesterificare sau hidrotratare pentru a produce combustibil pentru reacție. Combustibilii sintetici au de obicei o compoziție similară cu combustibilii convenționali și ating performanța necesară atunci când sunt amestecați combustibilii convenționali și alternativi. Această practică este folosită pentru a suplimenta stocurile sau a înlocui combustibilii convenționali. O altă abordare a clasificării combustibililor este crearea conceptului de combustibil neutru din carbon . La rândul lor, combustibilii neutri din punct de vedere carbon propuși pot fi împărțiți în linii mari în combustibili sintetici, care sunt obținuți prin hidrogenarea chimică a dioxidului de carbon și biocarburanți, care sunt produși prin procese naturale de consum de CO2, cum ar fi fotosinteza. O variație față de cele de mai sus sunt combustibilii electrici , o nouă clasă de combustibili de înlocuire neutri din punct de vedere carbon, care sunt produși folosind electricitate din surse regenerabile. Sunt o alternativă la biocarburanții pentru aviație. Aceștia sunt în principal butanol, biodiesel și hidrogen, dar includ și alcooli și gaze carbonice precum metanul și butanul.
Benzenul îmbunătățește rezistența la detonare a benzinei, motiv pentru care a jucat un rol important în istoria producției de benzină. Unele locomotive timpurii cu motoare cu ardere internă au folosit combustibil constând în principal din benzen. La începutul secolului al XX-lea, în funcție de sursă și proveniență, benzina era de o calitate foarte diferită (de la aproximativ 40 octan) și, prin urmare, nu prea potrivită pentru utilizare generală fără aditivi antidetonant . Benzenul special pentru automobile, pe de altă parte, avea o rezistență relativ mare la detonare (99 RON , 91 MON ) atunci când era folosit ca combustibil pe benzină, dar era relativ scump, iar motoarele care rulau cu el s-au contaminat foarte repede cu funingine. Drept urmare, benzenul a fost folosit ca benzină doar în scopuri speciale (de exemplu, în timpul Primului Război Mondial, a fost folosit de germani în motoarele de avioane). La începutul anilor 1920, utilizarea amestecurilor de benzină-benzen a oferit o soluție pentru aceste probleme, prin amestecarea benzinei ieftine și a benzenului (mai scump), pentru a crește rezistența la detonare a unui astfel de amestec și a crea astfel un combustibil acceptabil atât ca preț, cât și ca preț. în calitate. În Germania și în alte țări, apoi benzenul a fost obținut prin cărbune de cocsificare . Acest proces a fost primul din punct de vedere istoric și a servit drept sursă principală de benzen până în al Doilea Război Mondial. În 1923, pe piața din Germania a apărut primul amestec benzină-benzen ( abrevierea germană „ Bibo ”), dezvoltat pentru compania OLEX sub denumirea de „olexină” [5] .
Amestecul dezvoltat pentru compania Benzol-Verband (BV) în 1924 sub numele BV-Aral, (deoarece benzenul aparține grupului chimic al compușilor aromatici, iar benzina alifaticului) conținea „6 părți de benzină și 4 părți de benzen” . BV, în calitate de producător german de benzen, a folosit această tehnologie pentru a crea un alt canal de vânzare pentru produsele sale, pe lângă vânzările de solvenți la fabricile de vopsea. În funcție de calitatea benzinei de bază (de la 40 la 60 de lei), numărul octanic al amestecului BV-Aral a variat între 64 și 76 de lei.
După dezvoltarea carburanților cu octan mai mare în timpul celui de-al Doilea Război Mondial (ceea ce s-a întâmplat în principal datorită dezvoltării motoarelor de aeronave puternice care necesitau combustibil de calitate), asociația producătorilor de benzen a planificat în 1947/1948 să introducă combustibil pe piața auto. un octan de 80 RON, care era mai mare decât cel al concurenților (datorită creșterii conținutului de benzen) [6] . Această modalitate ulterioară de dezvoltare a tehnologiei nu și-a găsit aplicație datorită dezvoltării altor tehnologii pentru îmbunătățirea calității benzinei. Astăzi, o concentrație atât de mare de benzen în benzină este interzisă din cauza toxicității sale, iar benzenul este permis doar ca aditiv pentru combustibil în concentrații de până la un procent.
În URSS, amestecurile benzen-benzină au fost folosite și din cauza lipsei de benzină de înaltă calitate în anii 1920/30. Cu toate acestea, astfel de amestecuri erau adesea încă de o calitate foarte slabă. Șeful Institutului Științific de Automobile, profesorul E. A. Chudakov a scris:
„La mijlocul anului 1928, un amestec de benzină Grozny grea cu benzen a fost lansat pe piață ca combustibil pentru automobile, iar ambele componente au fost luate nesatisfăcător. Benzina a fost retrogradată față de grea normală Grozny furnizată de Oil Syndicate conform listei de prețuri, iar benzenul nu a fost suficient de rafinat. Ca urmare, majoritatea vehiculelor au fost forțate să se oprească; motoarele au necesitat revizie după 2-3 săptămâni de funcționare; s-a observat formarea semnificativă a depunerilor foarte dure atât pe supape, cât și pe alte părți de lucru ale motorului. O cantitate mare de lichid gudron s-a acumulat în carterul motorului, care s-a format adesea în conducta de aspirație, iar la unele mașini chiar a blocat clapetele de accelerație. S-ar părea că, după asemenea experimente nereușite, combustibilul nu ar trebui să fie eliberat pe piață care nu a fost supus unei teste inițiale amănunțite. Cu toate acestea, conform Decretului Consiliului Economic Suprem al URSS N15 din 1 martie a acestui an, a fost lansat pe piață un nou combustibil - un amestec de benzină cu nafta Grozny și benzen. [7]
Într-o comparație cu puterea calorică, benzina premium de 8,9 kWh/l este sub valoarea Bibo de 9,3 kWh/l, care la rândul său este mai mică decât motorina cu 9,8 kWh/l. [8] Deoarece amestecurile de benzină-benzen ard mai lent decât benzina, necesită un avans mai lung la aprindere. Se credea că, după trecerea la un amestec de benzină-benzen, puterea motorului a scăzut de la 1 la 4%, iar consumul de combustibil a crescut, de asemenea, de la 2 la 5%. Prin urmare, anumite modificări ale motorului erau de dorit: de exemplu, era necesară o creștere a diametrului jeturilor. Adăugarea a peste 40% benzen a înrăutățit pornirea și a redus puterea motorului.
Pe lângă benzină în Germania, alcoolul din cartofi a fost folosit ca componentă a combustibilului benzen. În Germania, din 1930, adăugarea a 2,5-10% etanol este obligatorie. În cazul amestecului de benzen Albizol de la Reichskraftsprit , la amestec a fost adăugat aproximativ 25% alcool de cartofi. Dicționarul militar al SUA din 1944 [9] se referă la combustibilul benzen ca „Dreierergemisch” („triplu amestec”: benzină 50%, benzen 40%, alcool 10%).
Utilizarea kerosenului în loc de motorină, de obicei ca aditiv pentru a-și optimiza proprietățile la temperaturi scăzute, este binecunoscută. Nu se recomandă utilizarea kerosenului în formă pură în această capacitate din cauza numărului scăzut de cetan. [10] În multe cazuri, atât în perspectivă istorică, cât și în prezent, utilizarea kerosenului ca alternativă la benzină ar putea fi justificată și din cauza penuriei și a costului ridicat al benzinei. În Marea Britanie, la începutul secolului al XX-lea, kerosenul tractorului nu era taxat ca benzina, ceea ce făcea ca astfel de mașini să fie atractive pentru fermieri. În unele țări (de exemplu, în India), kerosenul a fost subvenționat de guvern ca produs vital pentru cei săraci, folosit pentru aprinderea și arderea alimentelor. În URSS, kerosenul era mai ieftin decât benzina și era folosit ca combustibil pentru motoarele exterioare. [11] Utilizarea kerosenului în motoarele pe benzină nu este optimă și necesită anumite trucuri și operațiuni suplimentare pentru a menține motorul în funcțiune și, prin urmare, un astfel de combustibil nu este popular în rândul șoferilor. În zorii dezvoltării motoarelor cu ardere internă , kerosenul a fost utilizat pe scară largă ca combustibil pentru motoarele cu ardere internă cu carburator . Totuși, numărul octanic al kerosenului este scăzut (sub 50), astfel încât motoarele au fost cu un raport de compresie scăzut (4,0-4,5, nu mai mult). Celebrul „ una și jumătate ”, datorită raportului de compresie extrem de scăzut, (4,25), ar putea funcționa atât la nafta de tractor, cât și la kerosenul de iluminat. [12] Deoarece volatilitatea kerosenului este mai slabă decât cea a benzinei, a fost mult mai dificil să pornești un motor rece. Prin urmare , tractoarele alimentate cu kerosen din prima jumătate a secolului al XX-lea aveau un rezervor suplimentar de benzină (mic) . Un motor rece a fost pornit pe benzină, după ce s-a încălzit la temperatura de funcționare, șoferul tractorului a comutat carburatorul pe kerosen. La tractoarele cu kerosen, a fost nevoie să încălziți kerosenul pentru a îmbunătăți evaporarea. Ca urmare, galeriile de evacuare și de admisie au fost proiectate să funcționeze ca un schimbător de căldură, astfel încât căldura de la prima să o încălzească pe cea din urmă. Deoarece tractorul a fost pornit cu benzină scumpă, de îndată ce motorul s-a încălzit (după 5 minute), alimentarea cu combustibil a fost comutată la kerosen. Motorul Hesselmann , popular în anii 1920 și 1930, a funcționat și el pe un principiu similar . Atâta timp cât motorul mergea la turație maximă, kerosenul ardea bine. În condiții reduse, cum ar fi atunci când conduceți fără sarcină pe autostradă, motorul a funcționat mai bine la benzină. În anii 1920 și 30, sistemul de injecție cu apă din carburator a fost folosit la unele tractoare, în special la American International 10/20. Injecția cu apă a crescut rezistența la detonare a amestecului de lucru, ceea ce a făcut posibilă utilizarea kerosenului ieftin ca combustibil (deși motorul a fost pornit și încălzit cu benzină). Într-un astfel de sistem, apa a fost injectată în galeria de admisie în anumite proporții față de amestecul aer-combustibil (de obicei de la 12,5% la 25%) și, împreună cu amestecul, a fost transportată în camerele de ardere. Asigurarea unei scăderi a pragului de detonare are loc datorită capacității mari de căldură a apei, care răcește amestecul de lucru și, mai important, piesele motorului încălzite, care sunt centrele de detonare. URSS a dezvoltat, de asemenea, tractoare STZ-1, Fordson-Putilovets etc., care lucrează pe un amestec de kerosen și apă.
| Cifrele octanice ale diferitelor tipuri de combustibil [13] | ||
| Combustibil | Cifra octanică | Note |
|---|---|---|
| Benzină | 98 | - |
| Kerosenul | 15-20 [14] | |
| Combustibil diesel | 0 | - |
În Europa, după cel de-al Doilea Război Mondial, din motive de economie, mașinile au fost modificate pentru a funcționa mai degrabă cu kerosen decât pe benzină, pe care trebuiau să o importe și să plătească taxe mari. Pe lângă rezervoare suplimentare, conducte și dispozitive de comutare a combustibilului, garnitura chiulasei a fost schimbată cu una mult mai groasă pentru a reduce compresia (făcând motorul mai puțin puternic și mai puțin eficient, dar capabil să funcționeze cu kerosen). Echipamentul necesar a fost vândut sub marca „Economy”. [15] Kerosenul este folosit pentru a alimenta motoare exterioare mai mici fabricate de Yamaha, Suzuki și Tohatsu. Acestea sunt motoare cu dublu combustibil care sunt utilizate în principal în bărci de pescuit mici. Ele pornesc pe benzină și apoi trec la kerosen odată ce motorul atinge temperatura optimă de funcționare. [16] Motoarele exterioare multicombustibil Evinrude și Mercury Racing consumă, de asemenea, kerosen, precum și combustibil pentru avioane. [17] În timpul crizei de combustibil din anii 1970, Finlanda Saab - Valmet a dezvoltat și produs în serie Saab 99 Petro, care funcționa cu kerosen, terebentină sau benzină. Proiectul, cu numele de cod „Proiect Lapponia”, a fost condus de Simo Vuorio, iar până la sfârșitul anilor 1970 a fost realizat un prototip funcțional bazat pe Saab 99 GL. Mașina a fost proiectată să funcționeze cu două tipuri de combustibil. Benzina era folosită pentru pornirile la rece și atunci când era nevoie de putere suplimentară, dar de obicei funcționa cu kerosen sau terebentină. Din 1980 până în 1984, au fost produse 3.756 Saab 99 Petros și 2.385 Talbot Horizons (o versiune a mașinii Chrysler Horizon care integrează multe componente ale mașinii Saab). Unul dintre motivele pentru producția de mașini care funcționează cu kerosen a fost că în Finlanda kerosenul era mai puțin impozitat decât benzina.
În motoarele de automobile moderne, utilizarea kerosenului este în principiu posibilă [18] , deși impune multe restricții asupra motorului. De exemplu, kerosenul poate fi folosit în condițiile în care motorul funcționează într-un interval restrâns de viteze de rotație și cu o anumită temperatură. În sezonul rece, de exemplu, motorul poate să nu se încălzească la temperatura optimă. Pentru a asigura o funcționare mai fiabilă a motorului, poate fi necesară instalarea unui schimbător de căldură pentru încălzirea kerosenului. Datorită vâscozității crescute a kerosenului, performanța pompei de combustibil din fabrică poate să nu fie suficientă și, din cauza disipării mai mari a căldurii, este posibil ca sistemul de răcire să nu poată face față supraîncălzirii. Deoarece la turații mici temperatura motorului poate scădea sub valoarea optimă, kerosenul se poate amesteca cu uleiul din carter și poate schimba uleiul foarte des în comparație cu intervalul standard. Depunerile în cilindri se pot acumula mult mai repede decât de obicei, ceea ce înseamnă că bujiile trebuie schimbate etc. Restricțiile de mai sus fac ca aceasta să fie o practică foarte rară, de obicei limitată la utilizarea kerosenului ca aditiv în benzină pentru motoarele de motociclete în doi timpi, care poate fi potrivit pentru țările cu un nivel scăzut de venit al populației și, în consecință, întreținerea mai puțin costisitoare a echipamentelor, care va trebui efectuată mult mai des decât de obicei (de exemplu, în Asia de Sud-Est).
A existat o locomotivă feroviară care folosea naftalină solidă , care a fost construită de Schneider-Creusot în Franța în 1913. Această locomotivă avea un motor de evaporare pe benzină-kerosen, a pornit pe benzină și a trecut la kerosen după ce motorul s-a încălzit cu 70 CP, dar folosea naftalină solidă mai degrabă decât kerosen, pur și simplu ca combustibil mai ieftin. Naftalina s-a topit și s-a evaporat în mantaua de apă încălzită de motor (punct de topire: 80,26°C). [19] Ideea apare periodic. Brevetul din 1997 al lui Luis Cisneros Zazueta (Mexic) [20] precizează: „Invenția poate fi utilizată pentru toate tipurile de motoare pe benzină în patru timpi care funcționează pe ciclul termodinamic Otto, care conțin un carburator sau un sistem de injecție de combustibil, numărul de cilindrii este, de asemenea, neimportant. Costul scăzut al naftalinei și economia fac ca utilizarea acestui dispozitiv să fie ieftină” [21]
Vehiculele pot funcționa cu o varietate de gaze, cum ar fi gazul natural , GPL sau biogazul . Un motor cu ardere internă poate funcționa și cu hidrogen gazos. Motoarele cu ardere internă alimentate cu monoxid de carbon au fost folosite în URSS în timpul celui de-al Doilea Război Mondial . În ele, monoxidul de carbon a fost obținut din cărbune.
Utilizarea gazului ca combustibil reduce poluarea deoarece arde mai curat decât uleiul. Vehiculele existente pe benzină pot fi convertite pentru a funcționa pe gaz natural, dar astăzi o proporție din ce în ce mai mare din vehiculele din lume sunt construite direct pentru a funcționa pe gaz. Vehiculele mai mici alimentate cu gaz au adesea și un rezervor de benzină, dar vehiculele mai mari au doar un rezervor de gaz natural. Cumpărătorii de mașini pe gaz natural sunt atrași de prețul scăzut al combustibilului și de emisiile mai mici de dioxid de carbon, oxid de azot și particule. Gazele naturale sunt vândute ca combustibil pentru mașini, prețul gazelor naturale este de aproximativ 1,30 euro kilogramul. În ceea ce privește echivalentul energetic în litri de gaz, costul gazelor naturale este de aproximativ 0,832 euro.
În 2006, în lume existau aproximativ 5,7 milioane de vehicule pe gaz. Argentina, Brazilia și Pakistan au cele mai multe vehicule pe gaz. În Europa, sunt populare în Italia (433.000), Ucraina (100.000), Rusia (75.000), Germania (55.300) și Suedia (14.530). Există și mașini în Franța (10.200) și Belarus (5.500). Prețul gazelor naturale în aceste țări europene este de 40-80% din prețul benzinei. În unele țări europene și în Japonia, unde toate taxiurile funcționează cu benzină, vehiculele pe benzină folosesc în principal GPL . GPL-ul are avantajul de a fi depozitat la o presiune mult mai mica decat gazul natural, astfel incat se poate folosi o butelie de gaz mai usoara .
Numărul de vehicule pe gaz natural în Finlanda, inclusiv autobuze urbane, camioane de gunoi, taxiuri și persoane fizice, este de aproximativ 800 (2011). Prima stație publică de alimentare pentru vehicule cu gaz natural a fost deschisă la Helsinki, în Malmi, în iunie 2005. În Finlanda există 16 stații publice de alimentare cu gaze naturale (2011), iar Gasum intenționează să construiască o rețea de 30 de stații de alimentare în următorii câțiva ani. Suedia are deja peste 160 de benzinării, Germania 900, Italia 850, Austria 210 și Rusia 240. [22] .
Gazul de lemn poate fi utilizat în vehiculele cu motoare convenționale cu ardere internă prin adăugarea unui gazeificator de lemn ( gazeificator ). [23] [24] Acest tip de combustibil a fost foarte popular în timpul celui de-al Doilea Război Mondial în mai multe țări europene și asiatice, deoarece războiul a împiedicat accesul ușor și rentabil la petrol. Mașinile cu gaz pe lemn au existat încă dinainte de al Doilea Război Mondial.
Consumul de cărbune ca combustibil pentru o tonă-kilometru de rulare a unei mașini variază de la 74,3 la 114 grame [25] . În 1928, în Franța, la o cursă competițională special organizată, un autobuz generator de gaz Berliet cu 17 locuri a parcurs o distanță de 5250 km în 28 de zile cu lemn de foc, iar consumul mediu de lemn de foc a fost de 47,8 kg la 100 km (cu excepția lemnului de foc au existat 12 litri de benzină au fost folosiți pentru pornirea motorului, precum și pentru curățarea pieselor acestuia în garaje) [26] .
În mașinile echipate cu un generator de gaz, pot fi utilizate și alte gaze generatoare.
Vehiculele cu GNC nu au fost singurul răspuns la rezervele limitate de benzină în timpul Primului și al Doilea Război Mondial. O alternativă și mai greoaie era o mașină cu pungă de benzină.
Pe acoperișul unei astfel de mașini a fost amplasat rezervorul de combustibil al mașinii - o butelie de gaz asemănătoare unui balon, umplut cu gaz necomprimat. Rezervoarele de GPL au fost produse în timpul Primului Război Mondial și (mai ales) al celui de-al Doilea Război Mondial în Franța, Țările de Jos, Germania și Anglia, ca o soluție improvizată la deficitul de benzină. Pe lângă autoturisme, autobuzele și camioanele au fost echipate și cu această tehnologie. Vehiculele consumau „ gaz ușor ”, un produs secundar al procesului de transformare a cărbunelui în cocs (care este folosit la fabricarea fierului). Singura modalitate de a obține o autonomie practică a fost să folosești un „rezervor de combustibil” foarte mare. Autobuzele erau mai potrivite pentru asta decât mașinile - aveau un cilindru de gaz de dimensiuni normale pe portbagajul de pe acoperiș, de dimensiunea unui „ imperial ” al unui cu etaj englezesc. Geanta putea fi închisă într-o carcasă simplificată, dar cel mai adesea nu a fost cazul. Unele dintre mașinile din fotografii sunt echipate cu un sac uriaș de stocare a gazului (de exemplu, 13 metri cubi în volum) și o astfel de instalație i-a oferit o autonomie de numai aproximativ 50 km, deoarece un astfel de sistem de combustibil avea nevoie de un rezervor de gaz cu un volum de aproximativ 2-3 kb.m. pentru a înlocui un litru de benzină. Aerodinamica vehiculelor cu GPL era slabă, așa că eficiența combustibilului era departe de a fi optimă. Astfel de mașini nu au fost recomandate să depășească viteza de 50 km/h, astfel încât rezervorul de benzină să nu fie suflat sau rupt de vânt.
Deși tehnologia a fost uitată în Europa după sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, ideea a fost reînviată în China în anii 60 pentru a fi folosită pe autobuzele care circulau pe rutele orașului [27] . În țările din Asia de Sud-Est, o astfel de tehnică a putut fi văzută până în anii 90.
Din petrol (sau gaze naturale), reformarea va produce hidrogen care poate fi folosit pentru a alimenta o mașină cu pile de combustibil. Majoritatea planurilor bazate pe această idee propun să profităm de rețeaua de distribuție a combustibilului existentă și să efectueze conversia cu echipamente speciale chiar la punctul de realimentare. Deși emisiile de celule de combustie sunt compuse în întregime din apă, reformarea produce la fel de mult dioxid de carbon ca și când aceeași cantitate de ulei ar fi arsă într-un motor. Astfel, raportul dintre aceste emisii și emisiile din lanțul de combustibil este de 4:1.
Eficiența unei celule de combustie cu hidrogen într-o mașină în practică poate fi de aproximativ 60%, dar din moment ce energia cărbunelui de ardere se pierde în reformarea catalitică, va fi de aproximativ 40% în cel mai bun caz. Dar chiar și acest lucru este mai bun decât un motor cu ardere internă: în comparație cu un motor cu ardere internă, emisiile sunt cu aproximativ 60% mai mici. În prezent, vehiculele cu celule de combustibil au o eficiență de aproximativ 25% (McCormick, 2001).
Teoretic, aproape toți combustibilii pot fi utilizați și în celulele de combustie . În încercările de a crea o alternativă la produsele petroliere, s-au folosit în primul rând alcooli: etanol ( o celulă de combustie cu etanol direct ), propanol [28] și glicerol [29] , deoarece sunt mult mai puțin toxici decât metanolul utilizat în mod tradițional în celulele de combustie. S-au efectuat experimente și cu aldehide (și anume, cu formaldehidă , inclusiv paraformaldehidă [30] ), cu cetone și cu diferite hidrocarburi, precum și cu dietil eter și etilen glicol . [23] Utilizarea acidului formic în celulele de combustibil cu acid formic este, de asemenea, bine studiată și bine dezvoltată. Pilele de combustie care funcționează cu glucoză sub formă de zahăr din sânge pot alimenta implanturile medicale cu electricitate [25] (vezi celulele de biocombustibil ).
Utilizarea carbonului – spre deosebire de combustibilul tradițional lichid sau dizolvat, un solid insolubil – în celulele de combustie este posibilă și este în curs de investigare intensă (vezi Celula de combustibil cu carbon ). [26] Utilizarea cărbunelui sau a cocsului ca sursă principală de energie ar fi benefică datorită disponibilității acestora, dar implementarea practică s-a dovedit dificilă. [27]
Compușii fără carbon, în special amoniacul ( pile de combustie cu amoniac ) sau hidrazina ( pile de combustie cu hidrazină ), precum și borohidrură de sodiu [23], pot servi și ca furnizori de energie pentru pilele de combustibil.
Acidul formic este folosit mai întâi transformându-l în hidrogen și folosindu-l într-o pilă de combustibil cu hidrogen. De asemenea, poate fi utilizat direct în celulele de combustie cu acid formic . Acidul formic este mult mai ușor de depozitat decât hidrogenul. [31] [32]
Amoniacul este produs prin combinarea hidrogenului gazos cu azotul din aer. Producția de amoniac pe scară largă folosește gazul natural ca sursă de hidrogen. Amoniacul a fost folosit în timpul celui de-al Doilea Război Mondial pentru alimentarea autobuzelor în Belgia și în motoare și sisteme de energie solară până în 1900. Amoniacul lichid a fost folosit și în motorul rachetă Reaction Motors XLR99 care a alimentat aeronava de cercetare hipersonică X-15 . Deși nu este la fel de puternic ca alți combustibili, nu a lăsat funingine într-un motor de rachetă reutilizabil, iar densitatea sa a fost aproximativ aceeași cu cea a agentului oxidant, oxigenul lichid, ceea ce a simplificat proiectarea aeronavei.
Amoniacul a fost propus ca alternativă practică la combustibilii fosili pentru motoarele cu ardere internă.[48] Puterea calorică a amoniacului este de 22,5 MJ/kg, adică aproximativ jumătate din cea a motorinei. Într-un motor tipic, în care vaporii de apă nu se condensează, puterea de încălzire a amoniacului va fi cu aproximativ 21% mai mică decât această cifră. Poate fi folosit la motoarele existente doar cu modificări minore la carburator/injector.
Când este produs din cărbune, CO2 poate fi ușor captat[48][49] (produșii de ardere sunt azotul și apa).
Motoare cu amoniac sau motoare cu amoniac care utilizează amoniac ca fluid de lucru au fost propuse și uneori folosite. Principiul este similar cu cel folosit într-o locomotivă fără foc, dar cu amoniacul ca fluid de lucru în loc de abur sau aer comprimat. Motoarele cu amoniac au fost folosite experimental în secolul al XIX-lea de Goldsworthy Gurney în Marea Britanie și în tramvaiele din New Orleans. În 1981, o companie canadiană a transformat un Chevrolet Impala din 1981 pentru a funcționa cu amoniac drept combustibil.
Amoniacul și „GreenNH3” au fost folosite cu succes de dezvoltatorii din Canada [53] deoarece poate funcționa în motoarele cu aprindere prin scânteie sau diesel cu modificări minore și este singurul combustibil „verde” pentru avioane și, în ciuda toxicității sale, este considerat nu. mai periculos decât benzina sau GPL.[54] Poate fi produs din energie electrică regenerabilă și este doar la jumătate mai dens decât benzina sau motorina și poate fi transportat cu ușurință în cantități suficiente în vehicule. Când este ars complet, nu are alte emisii decât azot și vapori de apă. Formula chimică de ardere: 4 NH3 + 3 O2 → 2 N2 + 6 H2O, rezultând 75% apă.
Deși o mașină generatoare de gaz funcționează cu combustibil solid, unde lemnul, brichetele de cărbune sau turba pot fi folosite drept combustibil. Cu toate acestea, însuși principiul de funcționare al generatorului de gaz se bazează pe arderea incompletă a carbonului, unde carbonul în timpul arderii poate atașa un atom de oxigen sau doi pentru a forma, respectiv, monoxid (monoxid de carbon) și dioxid (dioxid de carbon). Astfel, motorul cu ardere internă al unei astfel de mașini funcționează cu combustibil gazos obținut din combustibil solid. Această opțiune nu este optimă din mai multe motive. Principalele sunt calitatea scăzută a gazului produs în timpul funcționării generatorului de gaz și, de asemenea, consumul de combustibil pentru implementarea procesului de gazeificare în sine. Lucrul cu un generator de gaz nu este ușor. Deoarece forța necesară a fost generată de acțiunea de aspirație a motorului, pornirea generatorului de gaz la ralanti a fost dificilă. Pentru a începe procesul de ardere, a fost nevoie de o blană sau un ventilator. În cel mai bun caz, a durat cinci până la zece minute pentru a porni motorul. O mașină cu un generator de gaz este mai potrivită pentru călătorii lungi. În zonele urbane în care mașina trebuie să se oprească frecvent, focul generatorului poate deveni prea slab și se poate stinge. Prin urmare, au existat dezvoltări care vizează utilizarea solidului fără a-l distila în gaz.
O mașină cu abur este o mașină alimentată de un motor cu abur. Lemnul, cărbunele, etanolul sau altceva pot fi folosite drept combustibil. Combustibilul este ars într-un cazan, iar căldura transformă apa în abur. Când apa se transformă în abur, se extinde. Expansiunea creează presiune. Presiunea împinge pistoanele înainte și înapoi. În acest caz, arborele elicei rotește roțile, ceea ce asigură deplasarea mașinii înainte. Funcționează ca o locomotivă cu abur pe cărbune.
Pornirea mașinilor cu abur durează mult, dar unele pot atinge în cele din urmă viteze de peste 100 mile pe oră (161 km/h). Mașinile cu abur modelul recent Doble puteau fi pornite în mai puțin de 30 de secunde, aveau viteze maxime ridicate și accelerație rapidă, dar erau scumpe de cumpărat.
Motorul cu abur folosește arderea externă, spre deosebire de arderea internă. Vehiculele pe benzină sunt mai eficiente, cu o eficienţă de aproximativ 25-28%. În timp ce, teoretic , un motor cu abur cu ciclu combinat , în care materialul care arde este folosit pentru prima dată pentru a antrena o turbină cu gaz, poate fi la fel de eficient ca 50% până la 60%, exemple practice de vehicule cu abur funcționează cu o eficiență de numai aproximativ 5-8%.
Cea mai faimoasă și mai bine vândută mașină cu abur a fost Stanley Steamer . Acesta folosea un cazan compact cu tub de foc sub capotă pentru a alimenta un motor simplu cu doi pistoane care era conectat direct la puntea din spate. Înainte de introducerea de către Henry Ford a finanțării cu plată lunară cu mare succes, mașinile erau de obicei cumpărate direct. Prin urmare, Stanley avea un design simplificat; pentru a menține prețul de achiziție accesibil.
Puterea cu abur poate fi combinată cu un motor ICE standard pentru a crea un hibrid ( motor în șase timpi ). Injectarea apei în cilindru are loc după arderea combustibilului, când pistonul este încă supraîncălzit, adesea la temperaturi de 1500 de grade sau mai mult. Apa se va evapora instantaneu în abur, folosind căldură care altfel ar fi irosită.
Motorul cu magneziu (en:MAGIC) este un design de motor dezvoltat de Mitsubishi Corporation și Tokyo Institute of Technology care utilizează magneziu și apă pentru a genera energie.
Un proiect de colaborare care a început în 2005 și se află încă într-un stadiu experimental a dezvoltat în 2006 un motor prototip fără dioxid de carbon, care a funcționat cu succes fără utilizarea combustibililor fosili. Reacția chimică dintre magneziu (sub formă de pulbere) și apă la temperatura camerei produce abur de mare energie și hidrogen. Hidrogenul este ars în același timp pentru a produce mai mult abur suplimentar de înaltă energie. Aceste două surse de abur alimentează motorul. Ciclul energetic nu produce dioxid de carbon sau alte emisii nocive. Singurele produse secundare ale acestei reacții sunt apa și oxidul de magneziu. Magneziul din acest proiect (un element metalic obișnuit) este obținut din oxidul de magneziu unde este separat de oxigen printr-un proces laser folosind energia solară (care este deja mult avansată în dezvoltare) și astfel reutilizat ca combustibil. În ciuda dimensiunilor reduse (aproximativ 5 cm în diametru și 13,5 cm în înălțime), motorul poate genera o putere termică de câteva zeci de kW. Motorul este proiectat pentru utilizare în cogenerare, automobile, nave și multe alte aplicații. O declarație din 2006 a afirmat că cercetarea mai avansată a fost planificată pentru comercializare în următorii trei ani. De atunci, nu au mai fost făcute anunțuri despre această tehnologie.
De la apariția motoarelor cu ardere internă, inginerii au încercat să dezvolte un motor care să poată funcționa pe bază de combustibil solid ieftin într-o pulbere pentru a asigura amestecarea combustibilului cu aerul. Au fost propuse opțiuni precum pulberea de cărbune sau celuloza microcristalină [33] . Problema a fost de a asigura alimentarea cu combustibil a camerei de ardere fără a înfunda constant injectoarele cu bucăți de pulbere.
Motoare cu pulbere de cărbuneÎn anii 1980, a existat interes pentru acest tip de dezvoltare. În 1989, la solicitarea Departamentului de Energie al SUA, au fost efectuate studii pe această temă. [34] . Un raport din 1989 al Biroului de Știință și Tehnologie al Departamentului de Energie al SUA descrie progresul și rezultatele unui program de cercetare („Performanța de ardere a motorului diesel adiabatic care rulează pe pulbere uscată de cărbune”) pentru a studia caracteristicile de ardere ale unui motor diesel care funcționează pe cărbune uscat. pulbere.. În timpul acestui program, s-au făcut progrese semnificative în depășirea multor probleme cu care se confruntă motorul care funcționează pe pulbere de cărbune. Conceptul de sistem de ardere cu aprindere termică a fost folosit pentru a îmbunătăți arderea combustibilului de cărbune pulverizat. Rezultatele testelor au confirmat perspectivele de dezvoltare a motoarelor pe cărbune. Au fost efectuate lucrări precum proiectarea, fabricarea și testarea unui motor cu un sistem îmbunătățit de alimentare cu cărbune pentru pulverizarea pulberei de cărbune în aerul de admisie; proiectarea, fabricarea și testarea unui motor cu cameră de ardere din superaliaj („Hastelloy X”); proiectarea, fabricarea și testarea segmentelor de piston și a cămășirilor de cilindri rezistente la uzură cu acoperire ceramică oxid-crom; sistem de lubrifiere îmbunătățit pentru a separa particulele de cărbune de uleiul lubrifiant contaminat; controlul timpului de aprindere a pulberii de cărbune fumigată prin utilizarea recirculării gazelor de eșapament ( EGR ) și a temperaturii variabile a camerei de ardere; Motorul pe cărbune a fost testat în două configurații: dual-combustibil (cu iluminare diesel) și motor 100% pe cărbune fără injecție diesel sau aer de admisie încălzit; pornire la rece a unui motor 100% carbon cu bujie incandescente; iar motorul pe cărbune a funcționat de la 800 la 1800 rpm și la ralanti la dublu combustibil (cu motor diesel) și 100% motor pe cărbune fără pilot diesel sau preîncălzitor de aer de admisie; pornire la rece a unui motor 100% carbon cu bujie incandescente; iar motorul pe cărbune a funcționat de la 800 la 1800 rpm și la ralanti la dublu combustibil (cu motor diesel) și 100% motor pe cărbune fără pilot diesel sau preîncălzitor de aer de admisie; motor cu pornire la rece 100% carbon cu bujie incandescente. Motorul pe cărbune a funcționat cu succes de la 800 la 1800 rpm și la ralanti până la sarcina maximă a motorului.
Volanele pot fi folosite și ca combustibil alternativ și au fost folosite în anii 1950 pentru a propulsa autobuzele în Elveția, așa-numitele girobuse . Volanul autobuzului era încărcat cu energie electrică la capetele liniei și îi permitea să parcurgă până la 8 kilometri cu un singur volant. Vehiculele cu volant sunt mai silențioase decât vehiculele cu motor cu ardere internă, nu necesită catenară și nu produc gaze de eșapament, dar volanta este grea (1,5 tone la 5 kWh) și necesită măsuri de siguranță speciale datorită vitezei mari de rotație.
Vehiculele cu azot lichid sunt alimentate cu azot lichid stocat în rezervoare speciale. De obicei, un motor cu azot funcționează după cum urmează: azotul lichid este încălzit într-un schimbător de căldură, primind căldură din aerul din jur, apoi azotul evaporat, transformat în gaz de înaltă presiune, intră în motor, unde, acționând asupra pistonului sau rotorului motorului. , îi transferă energie.
Densitatea maximă de energie care poate fi obținută cu azot lichid la presiunea atmosferică este de 213 wați-oră pe kilogram (Wh/kg). Aceasta este mult mai mică decât cei 3000 Wh/kg obținuți cu cele mai moderne tipuri de motoare cu combustie internă pe benzină care funcționează la o eficiență termică de 28%, adică de 14 ori densitatea azotului lichid utilizat în randamentul Carnot.
Pentru ca un motor izoterm sa aiba o autonomie egala cu cea a unui autoturism cu motor cu ardere interna este necesar sa ai la bord un vas Dewar de 350 de litri. Trebuie adăugat că recipientul trebuie să aibă o izolație groasă. Deși un astfel de volum este posibil de transportat, dar totuși la o creștere semnificativă în comparație cu un rezervor de benzină tipic de 50 de litri. Adăugarea de cicluri de alimentare mai complexe (schimbătoare de căldură cu un alt tip de fluid de lucru și reumpleri multiple ale rezervoarelor) poate reduce nevoia de izolație groasă și îi permite să funcționeze, prevenind formarea crustei de gheață. Cu toate acestea, până în prezent, nu există un model practic de vehicul sau componente concepute pentru a propulsa vehiculele care utilizează rezervoare de azot lichid și motoare Stirling izoterme.
O altă caracteristică a acestui motor este că pentru o funcționare eficientă trebuie să fie încălzit în mod constant prin ventilație, ceea ce înseamnă că trebuie să aibă un ventilator mare. Mașina va avea probleme serioase atunci când funcționează în locuri închise sau reci, ceea ce poate duce la o scădere semnificativă a temperaturii motorului, deteriorarea acestuia (chiar și presupunând că frecarea internă ar trebui să o încălzească). Practic, acest motor „extrage” energie termică din mediu și, prin urmare, încălzirea cabinei va fi practic imposibilă dacă nu există baterii și un cuptor electric. Prin urmare, utilizarea vehiculelor cu azot lichid este puțin probabilă în climatele reci.
| Principalele tipuri de combustibil organic | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fosil |
| ||||||||
| Regenerabile și biologice | |||||||||
| artificial | |||||||||