سوخت های مصنوعی مبتنی بر دی متیل اتر به عنوان سوخت غیر فسیلی آینده برای حمل و نقل جاده ای از خوراک پایدار

در این بررسی آینده مهم سوخت مصنوعی ، دی متیل اتر (DME) را در نظر می گیریم. ما DME را با دو گزینه دیگر مقایسه می کنیم [اکسی متیلن اتر (ome_x) و دیزل مصنوعی از طریق واکنش های فیشر-تروسش (FT)]. سرانجام ، ما طیف وسیعی از روش ها و فرآیندهای را برای سنتز DME کشف می کنیم.

DME یک سوخت دیزلی جایگزین برای استفاده در موتورهای احتراق فشرده سازی (CI) است و ممکن است از طیف وسیعی از مواد اولیه زباله تولید شود و از این طریق از ورود کربن فسیلی جدید به زنجیره تأمین جلوگیری شود. DME با کم شرکت مشخص می شود₂، میزان انتشار NOX کم و ذرات کم (PM). تعداد بالای ستن آن به این معنی است که می تواند در موتورهای CI با حداقل اصلاحات استفاده شود. کلید ایجاد اقتصاد سوخت های دایره ای ، ادغام چندین جریان زباله در یک زنجیره تأمین اقتصادی و زیست محیطی است. بنابراین ، ما همچنین در دسترس بودن و ماهیت سوخت های کم کربن و تولید هیدروژن را در نظر می گیریم. منابع دی اکسید کربن قابل اعتماد در صورت CO نیز ضروری هستند₂فرآیندهای استفاده از نظر تجاری قابل دوام هستند. محل گیاهان DME به اکوسیستم های محلی بستگی دارد و از نظر ایده آل باید در خارج یا در نزدیکی زباله ها و منابع انرژی کم کربن واقع شود. سوخت های مایع جایگزین در میان مدت جالب توجه در نظر گرفته می شوند ، در حالی که برق تجدید پذیر و هیدروژن به عنوان راه حل های بلند مدت قابل اعتماد برای بخش حمل و نقل آینده در نظر گرفته می شوند. DME ممکن است به عنوان یک حامل هیدروژن دایره ای در نظر گرفته شود که همچنین قادر به ذخیره انرژی برای استفاده در مواقع تولید انرژی تجدید پذیر پایین خواهد بود.

شیمی مراحل فردی در زنجیره تأمین به طور کلی شناخته شده است و معمولاً به استفاده از کاتالیزورهای فلزی ارزان و زمین متکی است. ترمودینامیک این فرآیندها نیز به خوبی مشخصه است. بنابراین غلبه بر این چالش اکنون به تخصص مهندسان شیمی متکی است تا اصول را در عمل تجاری قرار دهد. این مهم است که یک رویکرد کامل سیستم به عنوان مداخلات اتخاذ شود می تواند عواقب ناخواسته مضر داشته باشد مگر اینکه نظارت دقیق اعمال شود. این بررسی نشان می دهد که در حالی که تولید DME به دست آمده است و نوید بزرگی را نشان می دهد ، در صورت دستیابی به انتشار گازهای خالص صفر واقعی در بخش حمل و نقل ، به ویژه استفاده از جاده با مسافت طولانی ، در بازه های زمانی مورد نیاز ، تلاش قابل توجهی لازم است.

معرفی

حرکت به سمت سیاستهای "خالص صفر" در انگلستان و در واقع در سطح جهانی ، منجر به ارزیابی مجدد سیاست های انرژی شده است. در حالی که بخش های بارز مورد نیاز برای به حداکثر رساندن کاهش انتشار گازهای گلخانه ای ، برق و گرمایش است ، مقدار قابل توجهی از انرژی توسط بخش حمل و نقل از جمله جاده ، راه آهن ، حمل و نقل هوایی و دریایی مصرف می شود. نیاز فوری به کربن سازی ، یا صحیح تر ، فسیلیز ، بخش حمل و نقل یک چالش بزرگ است. موتورهای احتراق داخلی (ICE) طی چندین دهه توسعه یافته و بهینه سازی شده اند و بیانگر فراوان ترین شکل پیشرانه های تحرک هستند. در حالی که در انگلستان یک حرکت دولتی برای جایگزینی ICE با وسایل نقلیه برقی (EVS) وجود داشته است ، گزارش اخیر انجمن سلطنتی (انجمن سلطنتی ، 2019) همچنین سیاست های مربوط به مهاجرت به سوخت های حمل و نقل مصنوعی را در نظر گرفته است. دلیل این امر تا حدودی به این دلیل است که انتقال به زیرساخت EV نیاز به تعمیرات اساسی زنجیره تأمین برق و اقتصاد دارد. در حالی که وسایل نقلیه الکتریکی باتری پلاگین (BEV) انتشار صفر لوله را فراهم می کند ، انرژی مورد نیاز برای تأمین نیرو آنها باید در جای دیگر تولید شود.

در مخلوط انرژی الکتریکی فعلی ، میزان انرژی تجدید پذیر موجود به عوامل زیادی از جمله آب و هوا و تقاضا بستگی دارد. در انگلستان ، انرژی کم کربن (از جمله هسته ای) 55 ٪ از برق تولید شده به طور متوسط در طی یک سال را تشکیل می دهد (آمار 2019 ، وزارت تجارت ، انرژی و استراتژی صنعتی ، 2020). این بدان معناست که تقریبا نیمی از برق به دست آمده از فسیلی باقی مانده است و بنابراین انتشار گازهای گلخانه ای برای BEV به تولید کننده برق تعویض می شود. بنابراین ، اگر یک چرخه زندگی کامل انجام شود که شامل تولید برق معوق در مرزهای سیستم باشد ، نمی توان BEV را به عنوان وسایل نقلیه صفر در نظر گرفت. علاوه بر این ، همچنین لازم است که باتری و دفع واحدهای پایان زندگی در تجزیه و تحلیل محیط زیست (Wang and Yu ، 2021) گنجانده شود.

در گذار به انتشار خالص صفر، به دلیل اینرسی اقتصادی زیرساخت های عرضه و لجستیک موجود، ارزش آن را دارد که به جای تلاش برای تغییر مرحله ای، یک انتقال تدریجی در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، در خودروهای احتراق تراکمی (CIVs) مانند دیزل، مشکل موتور نیست، بلکه سوخت است. آیا به جای طراحی مجدد موتور، می توانیم سوخت ها را دوباره طراحی کنیم؟در مورد جایگزینی دیزل، یکی از سوخت هایی که توجه قابل توجهی را به خود جلب می کند دی متیل اتر (DME) و خانواده اکسی متیلن اترها (OME) است._x) که در آن DME معادل OME است₀و x تعداد واحدهای اکسی متیلن اضافی است (-CH₂-O-) در داخل مولکول. سوخت های مایع جایگزین در میان مدت جالب هستند، در حالی که برق تجدیدپذیر و هیدروژن به عنوان راه حل های بلند مدت قابل اعتماد برای بخش حمل و نقل آینده در نظر گرفته می شوند. DME ممکن است به عنوان یک حامل هیدروژن دایره ای در نظر گرفته شود که همچنین می تواند انرژی را برای استفاده در زمان های تولید برق کم تجدید پذیر ذخیره کند.

کار ویلمز در فورد نشان داده است که در آزمایش های موتور، نه تنها انتشار SOx با سوخت های DME (زیرا سوخت از فسیل ها مشتق نشده است) در ارتباط است، بلکه به دلیل کاهش محتوای کربن در مولکول ها در مقایسه با دیزل، CO2 است.₂انتشار گازهای گلخانه ای می تواند به 3 گرم در کیلومتر در مقایسه با استاندارد اتحادیه اروپا 2020 انتشار گازهای گلخانه ای خودروهای دیزلی 95 گرم در کیلومتر باشد (دستورالعمل شورای اروپا، 443/2009؛ دستورالعمل شورای اروپا، 443/2009). علاوه بر این، از آنجایی که هوای کمتری مورد نیاز است و دمای شعله کمتر است، انتشار NOx عملاً صفر است و چون پیوند C-C در مولکول های اتر وجود ندارد، ذرات معلق (PM یا دوده) نیز عملاً صفر هستند (لی و همکاران، 2016).. بنابراین، در مقایسه با مخلوط های شبکه برق فعلی و انتشار گازهای گلخانه ای در تولید برق برای خودروهای برقی، انتشار چرخه عمر کامل برای DME-CIV می تواند به طور قابل توجهی کمتر باشد.

ما اخیراً مروری بر سنتز سوخت های حمل و نقل اکسیژن دار از دی اکسید کربن (استایرینگ و داوسون، 2021)، از جمله DME منتشر کردیم که ما را بر آن داشت تا دامنه مواد اولیه را برای گنجاندن سایر موادی که به عنوان زباله در نظر گرفته می شوند، در نظر بگیریم. یونیلور اخیراً جاه طلبی خود را برای حذف مواد کربنی مبتنی بر فسیل از زنجیره تامین خود با استفاده از مواد زائد که توسط Unilever به عنوان "رنگین کمان کربنی" توصیف شده است، اعلام کرده است (یونیلور، 2020). این شامل کربن بنفش (CO₂) ، کربن های "سبز" (مبتنی بر زیستی) ، کربن های آبی (مبتنی بر دریایی) و کربن های "خاکستری" (زباله های عمومی از جمله پلاستیک). با استفاده از این اصول ، ما یک تجزیه و تحلیل به روز از مسیرها به DME/OME ارائه می دهیم_xبا استفاده از مواد اولیه زباله برای از بین بردن کربن های فسیلی از زنجیره تأمین سوخت.

این مقاله نشان می دهد که DME یک سوخت مفید تحرک است که می تواند به عنوان یک سوخت کشویی دیزل مورد استفاده قرار گیرد که فقط به تغییرات جزئی در موتورهای احتراق موجود نیاز دارد. این امر باعث می شود که سوخت های کم انتشار در موتورهای احتراق میراث استفاده شود در حالی که صنعت و جامعه در اواسط تا بلند مدت به وسایل نقلیه برقی منتقل می شوند. مقایسه هایی با اترهای FT و OME انجام می شود که ممکن است به عنوان سوخت های کشویی نیز مورد استفاده قرار گیرد. ما فناوری موجود را در نظر می گیریم ، و مواد اولیه لازم برای اطمینان از یک حرکت عادلانه و اقتصادی مناسب برای سوخت های مصنوعی.

گزینه های سوخت خنثی کربن

بی طرفی کربن یا هدف دستیابی به حالت خالص صفر ، به تعادل بین کاهش انتشار دی اکسید کربن تا حد امکان و از بین بردن باقی مانده دی اکسید کربن از جو اشاره دارد. اتحادیه اروپا تا سال 2050 به بی طرفی آب و هوا متعهد شده است که شامل هدف جامعه با گازهای گلخانه ای خالص صفر است. این تعهد همچنین مطابق با توافق نامه قانونی الزام آور پاریس است که توسط 190 حزب امضا شده است (سازمان ملل ، 2015).

حمل و نقل برای زندگی مدرن اساسی است و یک محرک اصلی برای بهبود اجتماعی و رشد اقتصادی است. با این حال ، خارجی های منفی پیرامون انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از حمل و نقل نشان می دهد که این یک بخش کلیدی برای بهبود برای رسیدن به یک حالت صفر خالص است.

برای ایجاد حمل و نقل خنثی کربن ، بسیاری از گزینه ها برای اشکال مختلف حمل و نقل باید در نظر گرفته شوند. تجزیه شرکت جهانی₂تولید گازهای گلخانه ای در هر بخش حمل و نقل را می توان در شکل 1 مشاهده کرد (دنیای ما در داده ها ، 2020).

شکل 1 . تجزیه شرکت جهانی₂انتشار در هر بخش حمل و نقل.

برخی از بخش های حمل و نقل قبلاً برای کاهش CO بهینه شده اند₂انتشار گازهای گلخانه ایبه عنوان مثال ، اکثر پیوندهای راه آهن مسافر در سراسر جهان بوده اند یا در حال برقراری برق هستند (IEA ، 2019). بنابراین ، انتشار ریلی فقط به 1 ٪ از شرکت جهانی کمک می کند₂انتشار گازهای گلخانه ای از حمل و نقل (دنیای ما در داده ها ، 2020).

هنگام بررسی برق و بی طرفی کربن ، دوباره مهم است که تشخیص دهیم که برای اینکه واقعاً کربن خنثی باشد ، منبع برق نیز باید به روش پایدار کربن تهیه شود. منابع برق پایدار کربن شامل تجدید پذیر مانند انرژی بازیابی شده از مزارع خورشیدی و بادی است ، یا گزینه های انرژی منابعی مانند هسته ای را تشکیل می دهند که دارای تولید مستقیم ناچیز از CO است₂(IEA ، 2020a). تمرکز بر حمل و نقل جاده ای که بر حدود 71 ٪ از شرکت حمل و نقل حاکم است₂انتشار گازهای گلخانه ای ، دو بخش اصلی ، مسافر و حمل و نقل وجود دارد. برای رسیدن به خالص صفر ، گزینه های سوخت خنثی کربن باید در هر دو بخش در نظر گرفته و پیاده سازی شوند. با این حال ، به دلیل نیازهای مختلف کاری آنها ، لزوماً برای هر بخش قابل استفاده نیست.

نیروی محرک اصلی در حمل و نقل مسافر انگلستان ، برق سازی ناوگان وسیله نقلیه است که دولت انگلستان قول می دهد تا سال 2030 ممنوعیت فروش وسایل نقلیه جدید موتور احتراق را ممنوع کند (جانسون ، 2020). این سیاست انگلستان با این حال وسایل نقلیه حمل و نقل و کالاهای سنگین (HGV) را پوشش نمی دهد زیرا بسیاری از موارد پیرامون برق آنها وجود دارد. موانعی که باید با پیشرفت در فن آوری باتری برطرف شود تا بتواند ناوگان HGV را برطرف کند ، شامل زمان شارژ طولانی و محدوده رانندگی محدود باتری های موجود است. افزایش اندازه باتری برای حل این مشکلات ، به جای افزایش کارآیی ، باعث می شود وزن و اندازه باتری بیش از حد باشد تا آن را به گزینه ای مناسب و مقرون به صرفه تبدیل کند (SIA Partners ، 2016). تحقیقات فعلی در مورد استفاده از BEV برای پشتیبانی از وسایل نقلیه بزرگ کالاهای سنگین بیش از 15 تن ، نشان می دهد که به دلیل افزایش بارهای آنها و مسافت سفر طولانی تر ، امکان تنظیم کمتری برای پیکربندی وسایل نقلیه معمولی را نشان می دهد. امکان حمایت از وسایل نقلیه کالاهای متوسط سبک تر (3. 5-7. 5 تن) و وسایل نقلیه کوچکتر کالاهای سنگین (7. 5-15 تن) به روزانه چندین رویداد شارژ نیاز دارد که باعث کاهش کارایی بخش می شود و نیاز به تغییر زیرساخت های گسترده دارد (فارست و همکاران ، ،2020). در حالی که شارژ سریع وسایل نقلیه بزرگ باتری ممکن است در اصل امکان پذیر باشد ، این امر به دسترسی عظیم برق در ایستگاه های بزرگ شارژ (مانند خدمات بزرگراه) نیاز دارد ، به ویژه هنگامی که چندین وسیله نقلیه سنگین نیاز به شارژ همزمان دارند. ما محاسبه کرده ایم که اجازه شارژ سریع (1 ساعت شارژ) وسایل نقلیه آینده باتری مانند Freightliner Ecascadia یا Tesla Semi (محدوده طولانی) ، منبع تغذیه بین 0. 56-0. 68 و 1. 12-1. 36 مگاوات در هر وسیله نقلیه نیاز است. در ایستگاه های شارژ در دسترس قرار گرفت. این مبتنی بر اندازه باتری 500 و 1000 کیلووات ساعت در این وسایل نقلیه و راندمان شارژ 64-88 ٪ است (Apostolaki-isofidou و همکاران ، 2017) ، که ممکن است هنگام شارژ سریع چنین باتری های بزرگ کمتر باشد (مایکلیدس ، 2020). توجه داشته باشید که یک شارژ کامل باتری بزرگتر ، به اندازه کافی برای یک کامیون برای یک روز کامل 9 ساعته (تقریباً 500 مایل) ، به حدود یک سوم برق نیاز دارد که به طور متوسط خانواده انگلستان در یک سال از آن استفاده می کنند (O 'ماهونی ، 2020). در واقع،

مقیاس چالش های پیش روی برق وسایل نقلیه سنگین بزرگتر با استفاده از باتری ، مفهوم جایگزین برق را با استفاده از کابل های سربار و پانتوگرافی های نصب شده کابین در انگلستان و خارج از کشور ترویج کرده است (Ainalis et al. ، 2020) ، بسیاری از موارد را از بین می برد. وزن باتری

سایر استراتژی های ذخیره سازی در هیئت مدیره شامل فناوری سلول سوخت هیدروژن است. با این حال ، هنوز کمبود فناوری و زیرساخت های عرضه وجود دارد که لازم است امکان پذیرش گسترده این فناوری را فراهم کند. بسته به روش تولید مورد استفاده ، هزینه تولید هیدروژن تا هفت برابر بیشتر از بنزین و دیزل است (عباسی و عباسی ، 2011). علاوه بر این ، معرفی فناوری سلول سوخت هیدروژن همچنین به دلیل ضرورت ایستگاه های جدید سوخت رسانی و خطوط لوله ، نیاز به سرمایه گذاری گسترده و بازسازی زیرساخت های سوخت رسانی دارد (پوپوف و همکاران ، 2018).

از آنجا که منابع جایگزین انرژی موجود در هیئت مدیره (مانند فناوری سلول سوخت هیدروژن) به ناوگان کاملاً جدید وسایل نقلیه همراه با تغییرات زیرساخت قابل توجه و بسیار پر هزینه نیاز دارند ، شکافی در بازار سوخت های مصنوعی یا سوخت های زیستی وجود دارد ، به ویژه آنهایی که می توانند در آن تغذیه شوندزیرساخت عرضه موجود. علاوه بر این ، سوخت های مصنوعی مانند DME حامل های هیدروژن دایره ای هستند و از هیدروژن به عنوان روشی برای ذخیره انرژی به صورت وکتور استفاده می کنند که می تواند با سهولت و ایمنی بیشتر از استفاده از هیدروژن به عنوان منبع سوخت مفرد منتقل و ذخیره شود (Catizzone et al. ، 2021).₂سوخت های زیستی سوخت های حمل و نقل جایگزین فسیلی به جای منابع کربن مبتنی بر فسیلی ، مستقیماً از زیست توده ساخته شده اند. پرکاربردترین سوخت های زیستی برای حمل و نقل ، بیوتانول و بیودیزل هستند. Bioethanol را می توان از مواد اولیه نسل اول به عنوان مثال تولید کرد. نیشکر و همچنین خوراک نسل دوم مانند لیگنوسلولوز. پیچیدگی این فرآیند با رفتن از نسل اول → 2 → 3 افزایش می یابد ، اما حرکت به دور از نسل اول از نسل اول جلوگیری می کند و از یک مانع اصلی برای تولید سوخت های زیستی ، یعنی استدلال مواد غذایی در مقابل سوخت جلوگیری می کند (Prasad and Ingle ، 2019). بیودیزل که عمدتاً در اتحادیه اروپا تولید می شود با ترانس استریزاسیون و استریزاسیون روغنهای گیاهی یا چربی های حیوانی با الکلی مانند متانول تولید می شود (بریتو کروز و همکاران ، 2014). اگرچه به عنوان یکی از مناسب ترین گزینه ها برای کاهش CO در نظر گرفته می شود₂در حمل و نقل ، سوخت های زیستی فقط در حدود 3 ٪ سهم کل تقاضای سوخت حمل و نقل جهانی در سال 2018 (IEA ، 2020b) به دلیل محدودیت هایی مانند کمبود تأمین مواد اولیه ، کاهش کم CO به دست آورد.

و رقابت کم هزینه (اوه و همکاران ، 2018). به منظور مقابله با سوخت های زیستی با افزایش تقاضا برای گزینه های سوخت گیری خنثی کربن ، توسعه در سوخت های زیستی پیشرفته با استفاده از زیست توده غیر قابل خوردن به نظر می رسد یک راه حل امیدوار کننده است.

واضح است که هیچ راه حل "گلوله ای نقره ای" برای دفع کربن سازی حالت های حمل و نقل موجود ، از جمله حمل و نقل طولانی حمل و نقل ، حمل و نقل هوایی و حمل و نقل دریایی وجود ندارد ، که به نوبه خود ، از نظر تأمین مالی عمومی یا خصوصی ، RAW مسائل دیگری ندارددر دسترس بودن مواد یا آمادگی فناوری. در حالی که سوخت دیزل فسیلی معمولی ممکن است در نهایت ممنوع باشد ، با شروع از بین بردن وسایل نقلیه جدید مسافر دیزل در انگلستان در سال 2030 (جانسون ، 2020) ، موتورهایی که در حال حاضر دیزل و نفت سفید می سوزانند ، هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرند و نیاز به بسیار بیشتر دارندآینده. در واقع ، وسایل نقلیه میراث خریداری شده قبل از سال 2030 هنوز به سوخت نیاز دارند تا اینکه به پایان عمر خود برسند. در حالی که این می تواند بنزین و دیزل مبتنی بر فسیلی باشد ، فرصتی برای معرفی سوخت های بدون فسیلی مانند DME برای تسریع در فسیل سازی ناوگان حمل و نقل مسافر وجود دارد در حالی که EVS تثبیت می شود.

معیارهای سوخت

برای اینکه یک سوخت مایع مصنوعی بهترین گزینه برای انتقال وسایل نقلیه حمل و نقل به یک منبع حمل و نقل خنثی کربن باشد ، باید "معیارهای سوخت" را برآورده کند. این شامل هزینه محیط زیست است ، در درجه اول با اشاره به اینکه آیا می توان آن را به صورت پایدار انجام داد تا آن را خنثی کربن ، بلکه سایر عوامل محیطی (مانند کاهش منابع ، مصرف آب و تولید سایر آلاینده ها) که باید در چرخه زندگی دقیق در نظر گرفته شوند ، انجام شود. ارزیابیهمچنین اشاره دارد که آیا خود سوخت را می توان با روشی با دوام مالی ساخته کرد تا صنعت بتواند بدون اعتماد به یارانه های اساسی دولت ، به کار خود ادامه دهد. معیارهای اضافی شامل عرضه و دامنه سوخت جدید و قابلیت اطمینان عرضه است. سازگاری با موتورهای زیرساخت جهانی و احتراق نیز ضروری است. سرانجام ، در صورت امکان مخلوط کردن سوخت جدید با سوخت های موجود ، سودمند خواهد بود. این امر امکان معرفی فوری سوخت جدید و بنابراین انتقال فوری به سمت بی طرفی کربن را فراهم می کند. این مزیت اضافه شده ای را دارد که یا قانون موجود را رعایت می کند یا در محدوده قوانین آینده واقع بینانه پیش بینی می شود. این معیارها در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 . معیارهای سوخت.₂سوخت های مایع مصنوعی در این تنظیمات از اصل پیش بینی به جای دکربن سازی کار می کنند. این به دلیل این است که سوخت هنوز منبع احتراق کربن است. مواد خوراکی که دی اکسید کربن ضبط می شود که مورد استفاده قرار می گیرد (CCU) یا سایر منابع کربن پایدار برای سنتز سوخت ها (Powerfuels Global Alliance ، 2020). خنثی سازی اذعان می کند که فقط اتمهای کربن در جو وجود ندارد که باعث تغییر خطرناک آب و هوا می شود بلکه افزایش غلظت کلی اتم های کربن است. بنابراین ، این اتم های کربن حاصل از منابع فسیلی است که باید از رسیدن به جو جلوگیری شود (ETIP PV ، 2020). اگرچه در مرحله استفاده از استفاده از سوخت های مایع مصنوعی کربن یک انتشار فاکتور در گونه هایی مانند CO خواهد بود₂و کمتر از آن ذرات کربن در چرخه زندگی سوخت ، ماهیت دایره ای CO

هر دو ماده اولیه اولیه و محصول نهایی به شکل انتشار ، باعث می شود که سوخت دارای انتشار کربن فراگیر مشابه سوخت های کربن مانند هیدروژن و آمونیاک باشد. این نگرانی های زیست محیطی را به حداقل می رساند. نگرانی های زیست محیطی بیشتر ناشی از سوخت های معمولی نیز می تواند کاهش یابد. این امر به این دلیل است که برخی از سوخت های مصنوعی مایع می توانند انتشار گازهای گلخانه ای دیگر مانند NOX را کاهش دهند ، در حالی که سوخت های عاری از کربن در حال حاضر در یک ظرفیت سوخت دوگانه مورد بررسی قرار می گیرند ، نشان دهنده انتشار NOX بالا و آمونیاک غیرقانونی به دلیل نیتروژن محدود به سوخت (Dimitriou and Javaid ، 2020)بشر

به منظور حفظ منبع سوخت خنثی کربن ، اتم های کربن که از جو به شکل مواد اولیه مواد غذایی گرفته می شوند ، باید از نظر تعداد با اتم های کربن آزاد شده هنگام سوزاندن سوخت برابر باشند ، بدون استفاده از کربن فسیلی اضافیبشرپس از آن ، فرآیندهای پر انرژی برای سنتز سوخت ها باید توسط منابع انرژی تجدید پذیر مانند باد ، خورشیدی و هیدرو استفاده شود. سوخت هسته ای ، اگرچه تجدید پذیر محسوب نمی شود ، اما منبع انرژی کم کربن مناسب برای تأمین برق تمیز برای تولید سوخت های مصنوعی است. همچنین لازم به ذکر است که تحقیقات اخیر استخراج اورانیوم از آب دریا را در نظر گرفته و انرژی هسته ای را به عنوان منبع انرژی پایدار و مساوات به طور قابل توجهی تر و برابری می کند (پارکر و همکاران ، 2018). همچنین پیشنهاد شده است که از آنجا که تقاضای در حال رشد برای منابع انرژی تجدید پذیر وجود دارد و از آنجا که منابع همیشه ثابت نیستند ، می توان از استفاده از انرژی بیش از حد در دوره های کم تقاضا برای تولید سوخت های مصنوعی استفاده کرد (Luo et al. ، 2015)به جای اینکه با محدودیت "هدر رفته". در این روش سوخت های مایع به عنوان یک بردار انرژی عمل می کنند که می توانند با استفاده از امکانات و زیرساخت های موجود ذخیره شوند. این می تواند باعث افزایش ارزش مالی منبع انرژی تجدید پذیر شود. برای تعیین و نشان دادن بی طرفی کربن واقعی سوخت می توان از ارزیابی چرخه عمر محیطی استفاده کرد (زیمرمن و همکاران ، 2020).

یک سوخت مصنوعی مناسب نیز نیاز به یک سرمایه گذاری سالم دارد. در اینجا ، متغیرهایی که به هزینه سوخت کمک می کنند ، مواد اولیه مواد اولیه ، هزینه های تولید و حمل و نقل سوخت به وسیله نقلیه هستند که در غیر این صورت به عنوان زیرساخت های سوخت رسانی شناخته می شوند. همانطور که قبلاً نیز گفته شد ، برای یک سوخت مایع مصنوعی در مقایسه با سایر روشهای سوخت رسانی ، یکی از مؤلفه های اصلی این است که این سوخت با خطوط لوله فعلی ، زیرساخت ها و موتورهای احتراق سازگار است (Willems ، 2018).

برای اینکه از نظر مالی قابل دوام باشد ، مسیر سنتز نیز باید مقرون به صرفه باشد. این ممکن است بسته به کشوری که در آن کشور سوخت تولید می شود متفاوت باشد. به عنوان مثال ، هزینه تولید برق در فرانسه به دلیل استفاده زیاد از منابع انرژی هسته ای کم هزینه کم است (انرژی هسته ای در فرانسه | انرژی هسته ای فرانسه-هسته ای جهانی . گ ، 2020). اگر هزینه کم تولید برق هسته ای قابل بهره برداری باشد ، می تواند برای فرانسه واقع بینانه تر باشد که از روش هیدرولیز شدید انرژی تولید هیدروژن استفاده کند. مسیر خاص برای تولید سوخت از کربن پایدار و نحوه دستیابی یا اسیر آن کربن در بخش بعدی مقایسه می شود.

سرانجام ، برای پاسخ به بحران سوخت خنثی کربن ، در حالت ایده آل سوخت مصنوعی با موتورهای احتراق فعلی سازگار خواهد بود زیرا این بدان معنی است که کامیون های فعلی و HGV می توانند با تغییر منبع سوخت رسانی به جای تغییر موتور ، خنثی شوند. مجبور به ساختن ناوگان جدید HGV به طور کامل. این امر به دلیل زیرساخت های سوخت رسانی موجود ، مزیت عظیمی می بخشد. در این صورت ، و سوخت جدید می تواند با سوخت های معمولی مخلوط شود ، این امکان انتقال تدریجی به سمت غلظت های بالاتر سوخت کم کربن را فراهم می کند که خط عرضه توسعه یافته و در مقیاس به اندازه کافی برای جایگزینی تقاضای عرضه فعلی شیب دار می شود. با این حال ، مخلوط کردن سوخت ها و استفاده از سوخت های مختلف در موتورهای موجود و در زیرساخت های موجود ممکن است با محدودیت های قانونی روبرو شود که ممکن است برای ایجاد یک تغییر قانونی صاف و کامل نیاز به تغییر داشته باشد (دستورالعمل شورای اروپا 2018/2001). این امر به عوامل مختلفی از میزان ترکیب و ماهیت سوخت جدید تا استفاده در نظر گرفته شده از سوخت بستگی دارد.

نوع سوخت مصنوعی در نظر گرفته شده است

به دلایلی که در بالا توضیح داده شد ، ما به سوخت هایی علاقه مندیم که امکان "رها شدن" با موتورهای احتراق دیزل (رایج ترین وسایل نقلیه کالا) را داشته باشند و فقط به مقاوم سازی محدود موتورهای موجود نیاز دارند (مانند جایگزینی سوختمخزن) به جای توسعه یک موتور کاملاً جدید. بر این اساس ، ما به طور مستقیم به عنوان یک سوخت مصنوعی روی هیدروژن متمرکز نشده ایم ، زیرا یک سلول سوخت اضافی یا تغییر قابل توجهی در موتورهای احتراق داخلی HGVS مورد نیاز است._xسوخت هایی که بیشتر یا همه این معیارها را برآورده می کنند ، دی متیل اتر (DME) ، اکسی متیلن اتر هستند (ome

) و دیزل بالقوه مصنوعی از طریق واکنش های فیشر-تروسش (FT). اینها به صورت جداگانه در زیر در نظر گرفته می شوند.

دی متیل اتر₃DME یک گاز مایع است که به عنوان جایگزینی احتمالی سوخت دیزل شناخته شده است. این فرمول شیمیایی CH است_3.با وخیم کردن

ساختار آن در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3. ساختار DME (ساخته شده در Avogadro ، 2021).

استفاده از DME به عنوان سوخت ، به طور قابل توجهی تولید NOX را در مقایسه با موتورهای دیزلی معمولی به دلیل پایین آمدن دمای شعله و احتراق کارآمدتر کاهش می دهد. علاوه بر این ، احتراق DME ذرات به مراتب کمتری تولید می کند (Pélerin و همکاران ، 2020) ، که این یک نگرانی قابل توجه در شهرهای بزرگ در سراسر جهان است. عدم وجود ذرات به دلیل عدم وجود پیوندهای C-C در DME است ، این منجر به سوزش تمیز و تأخیر احتراق کوتاه تر در مقایسه با دیزل می شود (Kajitani et al. ، 1997). به جای اوراق قرضه C-C ، فراوانی اوراق قرضه C-O منجر به کاهش گسترده اگزوز سوخت هیدروکربن بدون سوختگی می شود. این امر به این دلیل است که حضور اضافی اکسیژن در احتراق منجر به احتراق کامل می شود و منجر به تولید مونوکسید کربن کمتر و کربن بدون سوختگی (دوده) می شود. اکسیژن اضافی در ساختار مولکولی همچنین میزان هوای مورد نیاز برای همان خروجی انرژی در موتور را کاهش می دهد ، که باعث می شود تولید NOx بیشتر شود. بازده ذرات برای DME در مقایسه با موتورهای دیزل معمولی (0. 026 ٪) یا بیودیزل (0. 51 ٪) 0. 013 ٪ است (Sidhu et al. ، 2001).

گاز مایع دارای نقطه جوش از 25. 05 درجه سانتیگراد است. این ، در ترکیب با تفاوت در سایر خصوصیات فیزیکی ، مانند ویسکوزیته و ارزش کالری ، به این معنی است که برخی از تغییرات در وسیله نقلیه لازم است تا DME را به یک جایگزین مناسب برای دیزل تبدیل کند (Willems et al. ، 2020). به منظور مقاوم سازی دیزل HGV های موجود یا مقاوم سازی سطح پایین (تعویض مخزن برای مخلوط کردن روی تخته) یا مقاوم سازی سطح بالا (سطح پایین به علاوه جایگزینی اضافی سیستم تزریق و اصلاح مسیر هوا) لازم است. این هزینه ها با هزینه اضافی برای مصرف کنندگان 4 K €/کامیون یا 7 k €/کامیون (ineris ، 2020) ارائه می شود.

همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است ، DME تعداد ستن بالاتری نسبت به دیزل دارد. این امر به آن اجازه می دهد تا به عنوان یک جایگزین سوخت به خوبی عمل کند زیرا دمای کم احتراق خودکار در ترکیب با نقطه جوش کم به این معنی است که سوخت ، که یک بار به سیستم تزریق می شود ، بخار تقریباً فوراً منجر به کاهش تأخیر احتراق و خواص شروع سرماخوردگی می شود (تنگ و همکاران ، 2001).

میز 1 . مقایسه بین خواص DME ، دیزل و متانول را می توان در (Arcoumanis و همکاران ، 2008) ، (کمیته منشور سوخت در سراسر جهان ، 2019) ، (Wang et al. ، 2020) ، (Deperatment Energy ، 2021) مشاهده کرد.:

با این حال ، توجه به تعویض سوخت این است که به دلیل کمترین مقدار گرمایشی (LHV) DME در مقایسه با دیزل ، حجم معادل سوخت DME به دیزل 1: 1. 8 L با مهارت است (مک کون و همکاران ، 2015). بنابراین ، مخازن سوخت بزرگتر برای تحقق همان نیازهای مسافت مورد نیاز است و این مخازن سوخت باید برای کنترل سوخت گازی طراحی شوند. این ، به همراه سایر تغییرات وسیله نقلیه مانند زمان بندی ، نسبت مخلوط سوخت هوا و روش های روغن کاری جایگزین ، بیشتر اصلاحات متوسط مورد نیاز برای اجازه دادن به موتورهای دیزل معمولی را با استفاده از DME شامل می شود.₂با این حال ، در حالی که DME خالص با موتورهای بنزین یا بنزین که از جرقه جرقه استفاده می کنند سازگار نیست ، می توان از آن در نسبت گاز نفتی 30 ٪ DME/70 ٪ (LPG) استفاده کرد ، به طور بالقوه همچنین به برخی از وسایل نقلیه غیر دیزل اجازه می دهد تا به آن بپردازند30 ٪ پاک کننده از نظر CO

تولید گازهای گلخانه ای (برگه حقوقی IDA شماره 2 ، 2010).

اگرچه یک گاز در دمای اتاق ، DME دارای تعامل فشار بخار قابل مقایسه با LPG است که یک فاز مایع بالاتر از 0. 5 مگاپاسکال (5 بار) تشکیل می دهد. بنابراین ، DME ویژگی های مشابهی با LPG دارد ، که به طور گسترده حمل می شود (Verbeek and Van der Weide ، 1997) و بنابراین با زیرساخت های حمل و نقل موجود سازگار است. علاوه بر این ، DME می تواند به عنوان یک ماده اولیه خنثی کربن برای تولید الفین ها با استفاده از یک کاتالیزور زئولیت استفاده شود. این یک مکانیسم نوآورانه برای ساخت پلیمرهای خنثی کربن و سایر محصولات که معمولاً از پتروشیمی ها حاصل می شوند ، فراهم می کند (گالانووا و همکاران ، 2021).

گاز DME بی رنگ هیچ اثر سلامتی منفی ندارد. حتی در غلظت های بخار بالا ، واکنش انسان تنها پاسخ مواد مخدر کوچک است (Arcoumanis و همکاران ، 2008). با توجه به استفاده تاریخی از DME به عنوان یک پیشرانه ذرات معلق در هوا ، جنبه های ایمنی قرار گرفتن در معرض DME به طور گسترده ارزیابی شده است (مک کون و همکاران ، 2015).

کارایی دی متیل اتر₂چرخه اصلی گازهای گلخانه های مبتنی بر کربن و سایر منابع کربن پایدار برای تولید سوخت های DME از CO پیروی می کند₄/ch₂ضبط و ذخیره سازی از منابع متنوعی از جمله ، اما محدود به آن ، نیروگاه ، فولاد ، سیمان و سایر نیروگاه های صنعتی ، محل های دفن زباله ، زباله به گاز توسط هضم بی هوازی و CO بالقوه متناسب با هوا

بشرهزینه های چاه و یا هزینه به چرخان ، راه حل های مختلف سوخت رسانی و تأثیر آنها بر تغییرات آب و هوا را از طریق انتشار گازهای گلخانه ای مقایسه می کند (Semelsberger et al. ، 2006). DME راندمان بالا به چرخ را نشان داده است ، با استفاده از ناوگان وسایل نقلیه ولوو با سوخت DME که روی مواد اولیه پایدار کار می کنند (برگه شماره 2 ، 2010). راندمان های چاه از منابع مختلف از منابع مختلف برخوردار هستند زیرا این امر به تعیین متغیرهای تأثیرگذار بستگی دارد. مقادیر بالاتر راندمان به چاه با فرض راندمان کل وسیله نقلیه 40 ٪ همراه است ، با این که بخش چاه به تانک 27 ٪ محاسبه می شود ، در حالی که راندمان به خوبی 18 ٪ با استفاده از معمولی محاسبه می شودفناوری (Semelsberger et al. ، 2006). کارآیی بسته به منبع دی اکسید کربن نیز تغییر خواهد کرد.

"محاسبات خوب به مایل" نشان می دهد 2 ٪ تغییر کلی هنگام مقایسه هوا به عنوان منبع دی اکسید کربن در مقایسه با بیوگاز در وسایل نقلیه مسافر (Hänggi et al. ، 2019). اگرچه راندمان خوب به مایل در موتورهای دیزل و بنزین معمولی به دلیل راندمان بالا به تانک این فرآیندهای تعیین شده پایین تر است ، سوخت DME دارای راندمان معادل یا بالاتر از سایر سوخت های حمل و نقل جایگزین در مطالعه است.(Semelsberger et al. ، 2006). اگر DME به یک خوراک معمولی تبدیل شود ، با توسعه و تکمیل فناوری ، بازده چاه به تان افزایش می یابد._xاکسی متیلن اتر (اموم_n)

/ام_xمنزوی₃مربوط به DME با فرمول شیمیایی CH است₂O)_xo- (ch₃-چ_x، x = 1-8 (اودا و همکاران ، 2018). منزوی₃از آنجا که مشتقات DME دارای خواص مشابهی هستند اما جرم مولکولی بالاتر و نقاط جوش. نمونه ای از ساختار شیمیایی یک OME

مولکول در (شکل 4) نشان داده شده است.₃شکل 4. ساختار ome

(ساخته شده در Avogadro ، 2021).

/ام_xمنزوی₂H₂همچنین هیچ پیوندی C-C ندارد ، بنابراین همانطور که در بالا در رابطه با DME بحث شد ، سوزش تمیز است. به همین ترتیب ، پیش سازهای دوده مانند C

در چرخه احتراق مهار می شوند (Sun et al. ، 2017). یکی دیگر از مزیت های تولید حداقل ذرات این است که کاهش رسوب در قطعات موتور مانند سیستم چرخش گاز اگزوز وجود دارد (Härtl et al. ، 2017).

از آنجا که طول الیگومر بر خصوصیات سوخت تأثیر می گذارد ، سازگاری و مناسب بودن امکس به عنوان جایگزینی دیزل به طول الیگومر بستگی دارد. خواص OME های مختلف الیگومر و مقایسه با خواص دیزل در جدول 2 (کمیته منشور سوخت در سراسر جهان ، 2019) ، (Härtl ، et al. ، 2017) نشان داده شده است._xجدول 2مقایسه ome

و خواص دیزل.₁اگر تعداد ستن از 51 بالاتر نباشد ، کارآیی عملیاتی یک موتور دیزل مدرن کاهش می یابد. بنابراین ، OME

کاندیدای قابل دوام به عنوان جایگزینی برای سوخت های دیزلی نیست.

افزایش طول الیگومر کاهش مقدار گرمایش پایین را مشاهده می کند. مقدار گرمایش پایین میزان جریان سوخت مورد نیاز موتور مورد نیاز برای انرژی خروجی تعریف شده از موتور را تعیین می کند. اگر سوخت دارای مقدار گرمایش کمتری باشد ، حجم بالایی از سوخت برای برآورده کردن همان خروجی انرژی لازم است. افزایش چگالی با طول الیگومر به مبارزه با این مسئله کمک می کند. حجم سوخت مورد نیاز برای هم ارزی سوخت 1. 7 برابر دیزل M 3 /M 3 است.

دیزل فیشر₂دیزل Fischer-Trospch (FT) از تراکم Syngas تولید می شود (CO/H

) و پس از پردازش برای ایجاد سوخت مصنوعی که دارای ساختار هیدروکربن زنجیره ای طولانی مشابه با دیزل معمولی است. با این حال ، خصوصیات سوخت می تواند از دسته ای به دسته ای متفاوت باشد به دلیل تغییر دمای فرآیند ، کاتالیزورها و کیفیت مواد اولیه (Almeman and McCormick ، 2003) با تنوع هایی که می تواند برای خیاط سوخت ها به نیازهای کاربر نهایی استفاده شود (گیل و همکاران. ، 2011).

اگرچه بسیار شبیه به دیزل معمولی است ، دیزل FT تقریباً هیچ گوگردی یا هیدروکربنهای معطر ندارد (ابوجری و همکاران ، 2006). اگرچه این باعث کاهش انتشار مانند SOX می شود ، گوگرد و محتوای معطر دیزل معمولی آن را با روانکاری طبیعی فراهم می کند ، که در دیزل FT وجود ندارد. با این حال ، این می تواند توسط مواد افزودنی تجاری اصلاح شود (Rodríguez-Feández و همکاران ، 2019). تعداد بالایی از سوختهای ستن که می توانند از فرآیند F-T حاصل شوند ، همچنین پتانسیل بالایی برای کاهش تجارت NOX/PM که در موتورهای دیزلی معمولی دیده می شود ، نشان می دهد (Rounce et al. ، 2009).

مسیرهای سنتز

دیزل فیشر-تروسش