Есть ли путь к более экологичным грузоперевозкам?

Для серьезного решения проблемы изменения климата потребуются серьезные изменения в транспортном секторе США, поскольку он представляет 29% наших общих выбросов парниковых газов в США. Электромобили и внедорожники широко рекламируются как решение; однако это изменение является безопасным для климата только в том случае, если сеть, используемая для их зарядки, резко смещается в сторону возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнечная энергия.

Однако электрификация не является особенно жизнеспособным решением для замены дизельных двигателей, которые играют много важных ролей в современном обществе. Они питают грузовики, поезда, лодки и баржи, многие общественные и школьные автобусы, тяжелую сельскохозяйственную и строительную технику, военную технику и генераторы для создания резервного электричества. Функциональное преимущество дизельных двигателей заключается в том, что их высокий крутящий момент делает их достаточно мощными для перемещения тяжелых грузов, а их высокая эффективность хороша для длинных маршрутов или длительных задач. Недостатком является то, что дизельные двигатели имеют проблемы с загрязнением воздуха (выбросы твердых частиц и NOx).

Этот дизельный сектор является ключевой частью проблемы изменения климата. Согласно Агентство энергетической информации США (EIA) годовое использование дизельного топлива в США в транспортном секторе в 2020 году составило 44.6 миллиард галлонов– включая 16% от общего потребления нефти в США и производя 26% ископаемый CO₂ выбросы транспортного сектора. Прямой путь к «обезуглероживанию» сектора — расширение использования биодизеля, изготовленного из растительных и животных жиров. Интересным новым вариантом может стать использование биоэтанола из растительных углеводов. У каждого варианта биотоплива есть свои плюсы и минусы, но на самом деле есть логические роли для обоих.

Биодизель уже устоявшаяся отрасль с мировой рыночной стоимостью 23.2 млрд долларов США, которая, по прогнозам, достигнет 25.9 млрд долларов США к 2026 году. Чаще всего его смешивают на 20% с обычным дизельным топливом и продают как B20. Производственные мощности США по состоянию на 2022 год составлял 2.25 миллиарда галлонов в год, что составляет около 5% существующего использования дизельного топлива. Биодизель производится из масличных культур, таких как соевые бобы, а также из использованного масла для жарки в ресторанах и животного жира с предприятий по переработке.

Наиболее распространенной биодизельной смесью на рынке сегодня является B20 с 20% биодизеля и 80% дизельного топлива на нефтяной основе. Его можно использовать практически для любого нового или старого дизельного двигателя. Многие существующие дизельные двигатели также могут использовать 80% биодизельную смесь, но выше этого уровня эффективность использования топлива начинает снижаться, и возникают проблемы с хранением при низких температурах. Производство биодизеля необходимо будет существенно расширить, чтобы добиться значительного сокращения углеродного следа в секторе дизельных двигателей, но это будет минимально разрушительным для механических аспектов и аспектов распределения в этом сегменте.

Новый вариант, упомянутый ранее, будет заключаться в модификации существующих дизельных двигателей, чтобы они могли использовать биоэтанол, полученный из углеводов. Этой стратегии придерживается компания под названием «Технологии ClearFlame Engine». Состояние технологии будет обсуждаться ниже, но сначала немного информации об этом конкретном топливе.

Биоэтанол также является устоявшейся отраслью, поставляющей в автомобильный сектор смеси с концентрацией 10-15%. Мировой рынок в 2020 году стоил 33.7 млрд долларов США и, по прогнозам, вырастет до 64.8 млрд долларов США к 2025 году. Производство в основном основано на кукурузе или сахарном тростнике, но может поступать из других источников. Производственные мощности США для этого топлива составляет 17.4 миллиарда галлонов / год. Хотя это почти в восемь раз превышает годовую производственную мощность биодизеля, все равно потребуется значительное увеличение производства биоэтанола, чтобы технология ClearFlame могла использоваться для полного устранения профиля изменения климата в секторе дизельных двигателей США. хотя объемы биоэтанола уже достаточны для обезуглероживания 23% дорожного движения.

Сравнение энергетического профиля

CO2, выделяемый при сжигании биотоплива, классифицируется как «биогенный» в том смысле, что он был недавно захвачен в процессе фотосинтеза растениями, в отличие от «ископаемого углерода», выделяемого при сжигании топлива на нефтяной основе. Несмотря на это, производство биотоплива по-прежнему имеет ископаемый углеродный след, основанный на использовании ископаемой энергии, используемой для его производства (например, удобрения и другие ресурсы для выращивания сельскохозяйственных культур, топливо для тракторов, электроэнергия, транспортировка на нефтеперерабатывающий завод и процесс ферментации). сам процесс). «Коэффициент энергии» — это количество энергии в конечном биотопливном продукте, деленное на потребности производства в энергии. Углеродная эффективность как биодизеля, так и биоэтанола улучшилась по мере совершенствования производственных систем. Эффективность биодизеля увеличился с 3.2 в 1998 г. до 5.52 в 2011 г.. Эффективность биоэтанола, как правило, ниже для типичных установок на основе кукурузы (в среднем 2.1 в одном исследовании), но они могут достигать 4.0 на некоторых производственных объектах по другому исследование Министерства сельского хозяйства США . Общий профиль биоэтанола также может быть улучшен за счет добавления возможности улавливания углерода во время производства, а сельскохозяйственная часть следа может быть уменьшена за счет использования «электрифицированное азотное удобрение». Суть в том, что любое из этих видов биотоплива может существенно повлиять на углеродный след нынешнего сектора дизельного топлива, работающего на ископаемом топливе.

Этанол в настоящее время нельзя использовать в дизельных двигателях; однако это амбициозное видение начинающей компании под названием ClearFlame по преодолению этого ограничения. Их цель — не заменить их, а модифицировать существующие двигатели, чтобы они стали «независимыми от топлива».

История ClearFlame начинается с встречи двух аспирантов машиностроения в Стэнфорде в 2009 году. Один из их профессоров, доктор Крис Эдвардс, вдохновил этих студентов смотреть на технологии как на способ преследовать социальные ценности, такие как отделение энергетических потребностей от ископаемого топлива. . По его оценке, переход на электромобили был важным решением для некоторых рынков, но миллиардам людей в мире потребуется другое устойчивое решение. Студенты, Б. Дж. Джонсон и Джули Блюмрайтер, получили докторскую степень в Стэнфорде. В 2017 году они основали компанию, нацеленную на модернизацию существующих дизельных автомобилей и оборудования «двигателями, не зависящими от топлива», которые могут использовать любое топливо с низким уровнем выбросов углерода, в частности этанол.

Как бы амбициозно это ни звучало, они были восприняты всерьез сообществом венчурных инвесторов и ключевыми элементами отраслей, которые они надеются обслуживать. Их разработка проводилась в Аргоннской национальной лаборатории, и они первоначально привлекли 3 миллиона долларов с внушительным списком партнеров по гранту (Министерство энергетики США, NSF, USDA, Центр устойчивой энергетики TomKat, John Deere и Стэнфордский университет), а затем получили 17 миллионов долларов. в финансировании серии A в 2021 году под руководством основанной Биллом Гейтсом Breakthrough Energy Ventures при участии Mercuria, John Deere и Clean Energy Ventures.

Модификация двигателя ClearFlame включает в себя процесс сгорания при более высокой температуре, который сочетает в себе небольшие изменения в сантехнике с другой системой впрыска топлива, чтобы обеспечить «дизельное» сгорание любого топлива с низким содержанием углерода, включая 100% этанол. Ожидается, что эта модификация будет применима практически для любого двигателя, выпускаемого с 2010 года. Только что опубликованное исследование Гладштейн, компания Neandross & Associates проанализировала общую стоимость владения грузовиком, оснащенным ClearFlame, и обнаружила, что его стоимость за милю должна быть меньше, чем у дизельных, газовых, электрических и водородных платформ, включая потенциально на 40 % меньше, чем у электрических и На 30% меньше, чем на водороде, в основном благодаря низкой стоимости этанолового топлива. ClearFlame стремится к тому, чтобы технология окупилась в течение первых 18-24 месяцев. В дополнение к уменьшению углеродного следа за счет замены топлива (~ 40%), эти двигатели будут генерировать гораздо меньше смога и в 100 раз меньше сажи. Поскольку отдельные штаты, такие как Калифорния, устанавливают стандарты топлива и выбросов, этот более чистый профиль будет полезен для грузоотправителей между штатами. Преимущество биотоплива также было бы привлекательным в таких странах, как Швеция или Великобритания, где действуют налоги на выбросы углерода. Для компаний, у которых есть собственный распределительный парк, это изменение может помочь достичь целей или обязательств в области устойчивого развития или сокращения выбросов углерода, а также снизить их расходы.

Следующий критический этап для этой технологии сейчас находится в стадии реализации, поскольку игроки отрасли получают возможность «нажать на шины», чтобы увидеть, обладают ли модифицированные двигатели производительностью и выносливостью, необходимыми для этих требовательных применений. Первые модифицированные грузовики ClearFlame начали дорожные испытания в 2022 году. Прототип сельскохозяйственного оборудования оценивает компания John Deere, которая проводит пилотные испытания технологии ClearFlame. Пилотные генераторы также проходят испытания.

Если результаты оправдают ожидания, следующей задачей станет рассмотрение вопросов распределения топлива. Биоэтанол полной концентрации будет легко доступен для заправки сельскохозяйственной техники, обычно расположенной рядом с ферментационными предприятиями, на которых он производится. Затем он доставляется на топливные терминалы при полной концентрации 98% для смешивания с чем-то вроде автомобильного топлива. Региональные автопарки могли бы использовать эти запасы, если бы для быстрой заправки их цистерн были установлены насосы большего размера. Будущее использование грузовых автомобилей на дальние расстояния потребует некоторых корректировок инфраструктуры на уровне остановок для грузовиков, но при этом будут использоваться существующие терминалы распределения жидкости.

За этой технологией с интересом наблюдают многие стороны в секторах транспортных средств и оборудования. Это также важно для сельскохозяйственного сообщества. Например, член Ассоциации кукурузы штата Айова входит в совет директоров ClearFlame. Концепция перехода сектора дизельных двигателей на биотопливо также привлекательна с точки зрения энергетической независимости. Есть надежда, что «в будущем» это окажется еще одним решением, которое подходит экомодернистское видение.