از آنجا كه بخش حمل و نقل سهم عمده‌اي را در مصرف انرژي و آلودگي محيط‌زيست به خود اختصاص داده است. بنابراين بيش از پيش لزوم استفاده از سوختهاي جايگزين ارزان اما با آلايندگي پايين احساس مي‌شود
مقدمه:
امروزه جهان در زمينه انرژي با دو بحران محدود بودن منابع سوختهاي فسيلي و آلودگي محيط‌زيست روبه‌رو ميباشد. در اين ميان بخش حمل و نقل، سهم عمده‌اي را در مصرف انرژي و آلودگي محيط‌زيست به خود اختصاص داده است لذا در طول نيم قرن گذشته تحقيقات زيادي براي جايگزيني انواع انرژي در بخش حمل و نقل انجام شده و هنوز هم در حال انجام است
اين تحقيقات بيشتر در زمينه خودروهاي برقي، پيل سوختي، هيدروژني، گازسوز (LPG, NG) و همچنين خودروهايي با سوخت ,DME, اتانول و انرژي خورشيدي ميباشد
به لحاظ مواردي چون راندمان حرارتي، شتاب، حداكثر سرعت و برد (پيمايش) خودرو، آلايندگي، مصرف انرژي از چاه تا چرخ، هزينه‌هاي تعمير و نگهداري، در دسترس بودن سوخت (انرژي)، ذخيره‌سازي سوخت در خودرو و هزينه‌هاي مربوط به ايستگاههاي سوخت‌گيري هر كدام از سوخت (انرژي)هاي مذكور داراي محاسن و معايبي است
كه در بحث جايگزيني سوخت تواماً مد نظر قرار مي‌گيرند. براي مثال خودروهاي برقي با وجود مزاياي آلايندگي پايين (در حد صفر) كاركرد آرام و بي‌سروصدا، راه‌اندازي سريع و آسان، رانندگي راحت و قابل اطمينان و عدم نياز به كلاچ و جعبه‌دنده داراي معايبي نظير بالا بودن هزينه اوليه خودرو، محدود بودن سرعت خودرو (حدود 130 كيلومتر بر ساعت)، پايين بودن شتاب حركت، طولاني بودن زمان شارژ باطري و عدم امكان شارژ مجدد در جاده مي‌باشند.
بنابراين بايد با توجه به سطح فناوري، نوع سوخت در دسترس، نيازهاي روز جامعه و موارد متعدد ديگر سوختي را انتخاب كرد كه نسبت به ديگر سوخت‌ها امتيازات بيشتري داشته باشد.
1. تعريف اصطلاحات :
پيش از هر چيز لازم است به‌طور خلاصه تعريف چند اصطلاح مهم كه در بحث تشريح و مقايسه سوخت‌ها از اهميت فراوان برخوردارند، ذكر شود.
چاه تا چرخ: درك نادرست عمومي موجب شده تا در بحث سوخت و آلاينده‌هاي ناشي از آن بيشتر توجه مردم معطوف به زماني باشد كه آن سوخت سوزانده يا در موتور خودروها استفاده مي‌شود. در مورد هزينه و ايمني سوخت نيز چنين درك نادرستي وجود دارد. اين امر موجب شده است تا توجه اندكي به فناوري‌ها و زيرساخت‌هايي كه در توليد سوخت و رساندن آن به باك خودروها نقش دارند، معطوف شود
در يك مقايسه دقيق و مناسب ميان سوختهاي مورد استفاده در خودرو بايد تاريخچه و ميسر گذر هر سوخت از مرحله استخراج مواد اوليه تا مرحله توليد انرژي مدنظر قرار گيرد. براي مثال سوخت‌هايي كه هنگام مصرف در خودرو آلاينده‌هاي بسيار كمي توليد مي‌كنند ممكن است در مراحل توليد داراي انتشار بسيار زيادي باشند؛ يا سوخت‌هايي كه براي موتورهاي احتراقي مناسبند ممكن است حمل و نقل دشوار و پرهزينه‌اي داشته باشند. در حقيقت تاريخچه هر سوخت در زنجيره كامل چاه تا چرخ (مصرف در خودرو) آن نهفته است. اين زنجيره داراي 5 مرحله ذيل است:
استحصال و استخراج مواد خام (مواد اوليه)
حمل و نقل مواد خام
توليد سوخت
توزيع سوخت
استفاده در خودرو
در بررسي يك سوخت بايد با نگرشي يكسان تمامي مراحل اين زنجيره، همه جنبه‌هاي توليد و مصرف شامل استحصال مواد اوليه، مصرف انرژي، انتشار آلاينده‌ها، ايمني، فناوري، هزينه‌ها و زيرساخت‌ها مورد توجه قرار گيرد.
محتواي انرژي:
محتواي انرژي عبارت است از ارزش گرمازايي يا گرمايي پايين كه مبين انرژي حاصل از احتراق يك سوخت بوده و به عنوان مبنايي براي محاسبه بازده حرارتي موتوري كه اين سوخت را مصرف مي‌كند ميباشد. معمولاً محتواي انرژي بر حسب مگاژول بر كيلوگرم (MJ/Kg) يا مگاژول بر ليتر (MJ/Lit) بيان مي‌شود
عدد اكتان:
عدد اكتان از جمله ويژگي‌هاي مهم سوخت‌هايي است كه در موتورهاي اشتعال جرقه‌اي به كار مي‌روند و نشان‌دهنده مقاومت آن در برابر كوبش ميباشد. استفاده از يك سوخت با عدد اكتان خيلي پايين موجب مي‌شود كه موتور در شرايط بار زياد دچار كوبش شود. لازم به ذكر است كه پديده كوبش موتور همان اشتعال خودبه‌خود و كنترل نشده مخلوط هوا و سوخت ميباشد كه منجر به ايجاد امواج پرفشار و در نتيجه صدمات شديد به موتور مي‌شود. عدد اكتان معمولاً به‌صورت عدد اكتان تحقيقي RON و يا عدد اكتان حقيقي MON بيان مي‌شود
عدد ستان:
از جمله ويژگي‌هاي مهم سوخت‌هايي است كه در موتورهاي اشتعال تراكمي (CI) به كار مي‌روند و عبارت است از ميزان آمادگي سوخت براي اشتعال خودبخود تحت شرايط دما و فشار داخل محفظه احتراق موتور.
سوخت تزريق شده به درون سيلندر بايد درست پيش از رسيدن به حداكثر تراكم و در محدوده زماني چند هزارم ثانيه‌اي مشتعل شود. در واقع عدد ستان بيانگر تمايل طبيعي سوخت به اشتعال است. به اين معني كه عدد ستان بالاتر موجب روشن شدن (استارت) بهتر و زمان (مرحله)، تأخير اشتعال كوتا ه‌تر (فاصله زماني ميان تزريق و اشتعال) و در نهايت احتراق يكنواخت و آرام‌تر مي‌شود
2. سوختهاي متعارف و جايگزين و ويژگي‌هاي آنها :
سوختهاي متعارف و جايگزيني كه در اين نوشتار به آنها اشاره شده است عبارتند از:
1. بنزين.2 سوخت ديزل (گازوئيل) 3. گاز مايع نفتي .5(LPG). 4 گاز طبيعي (NG) 6 .متانول 7. اتانول 8. بيوديزل 9. هيدروژن 10. DME(دي متيل اتر) 11 .الكتريسيته12 .سوختهاي سري p CNG .13
لازم به ذكر است كه بنزين، گازوئيل و LPG همگي از پالايش نفت خام به دست مي‌آيند
بنزين:
در طول يك قرن گذشته بنزين با دارا بودن بيشترين ميزان توليد و زيرساخت‌هاي توزيع، بزرگ‌ترين سهم مصرف را در ميان سوختهاي بخش حمل و نقل جاده‌اي داشته است
استفاده گسترده از اين سوخت، موجب پايين آمدن هزينه و توسعه و پيشرفت تجهيزات اختصاصي آن مانند پالايشگاه‌ها، موتورهاي اشتعال جرقه‌اي، كاتاليست‌ها و زيرساخت‌هاي خدمات رساني شده است. ميزان نسبتاً بالاي محتوي انرژي بنزين، اين سوخت را براي موتورهاي SI بسيار مناسب كرده، اما پايين‌تر بودن عدد اكتان آن نسبت به ديگر سوختهاي مورد مصرف در موتورهاي SI موجب شده است تا به ناچار نسبت‌هاي تراكم پائين‌تري مورد استفاده قرار گيرد
بنزين در مقايسه با ديگر سوخت‌ها از لحاظ ميزان مصرف انرژي از چاه تا چرخ براي خودروهاي سبك (LDV) در وضعيت متوسط قرار دارد. ميزان انتشار NOX خودروهاي بنزيني در مرحله چاه تا چرخ نسبتاً پايين بوده در حالي كه ميزان انتشار خروجي آنها نسبتاً بالا ميباشد
كاهش ميزان انتشارات خروجي و تبخيري انگيزه مهمي براي بهينه‌سازي بنزين و توليد بنزين با فرمولاسيون جديد بوده است. معمولاً فرايند فرمولاسيون جديد حداقل همراه با اضافه نمودن تركيبات اكسيژنه (مانند MTBEو (ETBE، كاهش مواد آروماتيك بنزين و اولفين و نيز پايين آوردن دماهاي تبخير ميباشد
به لحاظ ايمني مي‌توان بنزين و گازوئيل را سوخت‌هايي ايمن (البته نه بدون خطر) در نظر گرفت. از جمله معايب اين دو سوخت مي‌توان به مواردي چون سخت تجزيه شدن آنها در محيط (عدم زيست تجزيه‌پذير بودن) و نفوذ در آب و خاك و بالطبع آلوده كردن آنها اشاره كرد.
خودروهاي سواري بنزيني در صورتي مي‌توانند از مخازن سوخت (باك) فلزي يا پلاستيكي استفاده كنند به مواد تشكيل‌دهنده آن با بنزين سازگاري داشته باشد. بنزين ميتواند بعضي از مواد پلاستيكي و فلزي را در خود حل كرده يا موجب زنگ‌زدگي آن شود. به خصوص وقتي كه در آن الكل وجود داشته باشد.
MTBE :
مستطيل ترسيم بوتيلاتريك يك تركيب آلي با فرمول شيميايي c5h12o ميباشد در دما و فشار استاندارد مايعي بي رنگ , قابل اشتغال و قابل احترق است.جرم ملكولي آن 15188بوده و داراي نقته ذوب -9 درجه سانتي گراد و نقطه جوش 55/2-53/6 درجه سانتي گراد مي باشد.چگالي اين ماده 758%و 744% گزارش شده است انحلال پذيري mtbe در آب بسيار بالا است 540/mg گزارش شده است
اين ماده به عنوان جايگزين سرب در بنزين قرار گرفت و داراي مزايايي همچون افزايش عدد اكتان بنزين كاهش نشع گاز هاي آلاينده منتشر از اگزوز خودرو مانند :منو اكسيد كربن و ازن , حذف سرب از بنزين ,به همراه تاثيرات بهبود نسبي كيفيت هوا ,توليد آسان و سهولت اخطلاط با بنزين ميباشد
ولي متاسفانه اين ماده mtbe از سه طريق خوردن يا آشاميدن ,استنشاق و تماس پوستي ميتواند سلامت انسان را تهديد كند
سوخت ديزل (گازوئيل) :
سوخت ديزل پس از بنزين، دومين سوخت پرمصرف در حمل و نقل جاده‌اي به‌خصوص در خودروهاي سنگين است. از آنجا كه خودروهاي سنگين (HDV) داراي موتورهايي با وزن زياد مي‌باشند لذا بايد سوختي را مصرف كنند كه داراي بازدهي انرژي بيشتري بوده و به اين دليل سوخت ديزل مناسب‌ترين گزينه براي آنهاست. مخزن سوخت گازوئيل در مقايسه با بنزين به دليل داشتن محتواي انرژي بيشتر در هر ليتر و بازدهي موتور بالاتر ميتواند اندكي كوچك‌تر باشد. گازوئيل علاوه‌بر آنكه همانند بنزين ارزان است داراي همان مزاياي استفاده گسترده بوده و حتي داراي انرژي بيشتري نيز ميباشد
گازوئيل در مقايسه با ديگر سوختهاي قابل استفاده در موتورهاي اشتعال تراكمي داراي عدد ستان پايين‌تر، مصرف انرژي چاه تا چرخ كمتر و ميزان انتشارات CO و HC نسبتاً پاييني ميباشد، اما ميزان انتشار NOX و ذرات معلق (PM) چاه تا چرخ آن بالاست كه اين معايب نيز قابل رفع هستند. براي مثال كاهش ميزان گوگرد گازوئيل نه تنها موجب كاهش SO2منتشره از خودرو مي‌شود، بلكه ميزان ذرات معلق منتشره را نيز كاهش مي‌دهد
گاز مايع نفتي (LPG):
LPG يا همان گاز مايع نفتي سوختي جايگزين براي موتورهاي SI ميباشد كه تاكنون نقش اندكي در تأمين انرژي حمل و نقل جاده‌اي دنيا ايفا كرده است، اما در بعضي كشورها اين سوخت، سهم قابل ملاحظه‌اي در بخش حمل و نقل دارد. براي مثال در كشور هلند 12 درصد از سهم انرژي مورد مصرف در خودروهاي سواري را سوخت LPG تشكيل مي‌دهد. عدد اكتان بالاي LPG (به‌خصوص نوع پروپان آن)، موجب شده است تا موتورهاي LPGسوز داراي نسبت تراكم بالاتري در مقايسه با موتورهاي بنزين‌سوز بوده و در نتيجه از راندمان حرارتي بالاتري نيز برخوردار باشند. از آنجا كه اغلب خودروهاي سبك LPGسوز، خودروهاي بنزيني مجهز به سيستم گازسوز هستند از اين مزيت برخوردار نبوده و داراي بازدهي پائين‌تري از حد بهينه‌اي كه مي‌توانند داشته باشند ميباشد. نسبت تراكم موتورهاي سنگين LPGسوز پايين‌تر از موتورهاي ديزل سنگين مي‌باشند
ميزان مصرف انرژي چاه تا چرخ LPG كمتر از بنزين و بيشتر از گازوئيل است. همچنين در خودروهاي سبك ميزان انتشارات NOX چاه تا چرخ LPG تقريباً معادل بنزين بوده، اما ديگر مواد آلاينده و منتشره پايين‌تر مي‌باشند. در خودروهاي سنگين LPGسوز ميزان انتشار پايين ذرات معلق قابل توجه است.
LPG در فشار و دماي محيط به شكل گاز بوده و در مخزن سوخت تحت فشار متوسط 6 تا 8 بار به صورت مايع ذخيره مي‌شود . با در نظر گرفتن ميزاني از انرژي يكسان، مخزن سوخت LPG در مقايسه با مخزن بنزين داراي حجمي معادل دو برابر و وزني بيش از 5/1 برابر ميباشد
شير اطمينان فشار مخزن LPG در فشار بالاتر از 20 بار عمل مي‌كند. اين در حالي است كه انفجار مخزن در فشارهاي بالاتر از 100 بار امكان‌پذير خواهد بود
مخزن سوخت خودرو را نبايد بيشتر از 80 تا 85 درصد گنجايش پر كرد تا فضاي كافي براي انبساط سوخت وجود داشته باشد
گاز LPG سنگين‌تر از هوا بوده و در صورت ريزش يا نشت بخارات آن در سطح زمين باقي مانده و ممكن است توسط يك عامل اشتعال‌زا منفجر شود. به اين دليل بايد از پارك كردن اين خودروها در پاركينگ‌هاي زيرزميني پيشگيري كرد
LPG در هوا بسيار سهل‌تر از بنزين و گازوئيل مشتعل مي‌شود، اما از آنجا كه سعي مي‌شود مخازن سوخت LPG به‌گونه‌اي ساخته شوند كه ايمني و استحكام لازم را داشته باشند لذا احتمال نشت سوخت در هنگام تصادفات و خطرات احتمالي آن نسبت به مخازن بنزين و گازوئيل كمتر است . در مجموع LPG را مي‌توان سوختي ايمن در نظر گرفت.
معمولاً عمدتاً از دو تركيب هيدروكربني پروپان و بوتان با فرمول شيميايي C4H10, C3H8 تشكيل شده است. بوتان خود شامل دو تركيب ايزوبوتان ونرمال بوتان است. LPG كه معمولاً در برخي نقاط دنيا به نام تركيب عمده آن، پروپان، نيز شناخته مي شود بعنوان محصول فرعي فرآيندهاي تصفيه و توليد گاز طبيعي و پالايش نفت خام توليد مي شود. LPG در آمريكا عمدتاً از 90% پروپان، 5/2% بوتان و هيدروكربنهاي سنگين و مقدار كمي نيز اتان و پروپلين تشكيل شده است. گاز مايع فاقد رنگ، بو و مزه است و بطور كلي زيان آور نيست ولي در صورتيكه حجم زيادي از آن استشمام گردد باعث بيهوشي خواهد شد. به منظور آگاهي از نشت گاز مايع تركيبات گوگرد دار بنام مركاپتان شامل "اتيل مركاپتان" و "متيل مركاپتان" به گاز مايع افزوده مي شود. خواص مهم اين سه تركيب در جدول انتها درج شده است
LPG در شرايط فشار و دماي عادي بصورت گاز است و تحت فشار atm10-8 ، اجزا آن به مايع تبديل مي شود. بنابراين نگهداري و حمل و نقل اين محصول به سادگي امكان پذير است. البته تركيبات LPG براي مكانهاي مختلف و در فصول مختلف متفاوت است. براي مثال گاز مايع ارائه شده به مصرف كنندگان در ايران در فصول مختلف بين (90-50) درصد بوتان و (50-10) درصد پروپان و تا 2% تركيبات سنگين تر مثلاً پنتان دارد. به علت كيفيت سوخت گاز مايع LPG و كاهش انتشار آلاينده ها، استفاده از اين سوخت در جهان به صورت فزاينده اي مورد توجه بوده و در كشورهاي مختلف مانند ايتاليا (با 1500000 خودرو)، ژاپن، امريكا، انگليس استفاده از اين سوخت جايگزين مورد حمايت و تشويق دولتها مي باشد
الف- محاسن: عدد اكتان بالا (نسبت تراكم بالا و بالطبع راندمان حرارتي بالا)، مصرف پايين انرژي از چاه تا چرخ (نسبت به بنزين)، انتشار بسيار پايين ذرات معلق و ديگر مواد آلاينده نسبت به بنزين (به جز اكسيدهاي نيتروژن.)
ب- معايب: مخزن سوخت (باك) سنگين و حجيم‌تر نسبت به بنزين، ايمني كمتر نسبت به بنزين و گازوئيل، افت توان در موتورهاي دوگانه‌سوز و هزينه بالاي جايگاه‌هاي سوخت‌گيري و تجهيزات گازسوز كردن خودرو
گاز طبيعي(NG):
گاز طبيعي (CH4) كه از پوسته زمين استخراج مي‌شود، تنها سوختي است كه تقريباً نيازمند انجام هيچ فرايندي براي قابل استفاده شدن در خودرو نيست و تنها لازم است تا خشك شده و سولفيد هيدروژن (H2S) آن (از گاز ترش) جدا شود. گاز طبيعي تبديل شده به گاز تركيبي به عنوان منبع توليد متانول، DME و هيدروژن به كار گرفته مي‌شود
در كشورهايي همچون ايتاليا، آرژانتين، روسيه و امريكا، خودروهاي NGسوز فراواني وجود دارد در كشور ايران نيز به‌تازگي استفاده از گاز طبيعي فشرده (CNG) مورد توجه قرار گرفته و سعي شده است تا در بخش نتيجه‌گيري به آن پرداخته شود. در حال حاضر اين سوخت به عنوان سوختي مهم براي استفاده در خودروهاي سراسر دنيا مطرح نمي‌باشد و تنها كشورهايي كه داراي شبكه توزيع كافي گاز طبيعي باشند مي‌توانند اين سوخت را به عنوان سوخت خودروهاي خود برگزينند و كشورهاي فاقد چنين زيرساخت‌هايي قطعاًَ چنين كاري را پرهزينه خواهند يافت. سوخت NG همانند LPG داراي عدد اكتان بالا بوده و در نتيجه با استفاده از آن مي‌توان به نسبت‌هاي تراكم بالاتري دست يافت. به اين لحاظ است كه بازدهي حرارتي يك موتور صد در صد NGسوز در حدود 10 درصد بيشتر از موتورهاي بنزيني است. البته بايد توجه داشت كه بازدهي موتور NGسوز در حدود 15 تا 20 درصد كمتر از موتورهاي سنگين گازوئيل‌سوز است.
گاز طبيعي كه عمدتاً در مصارف صنعتي و خانگي، تاسيسات توليد بخار و برق كاربرد دارد بعلت كيفيت سوختن خوب، وجود منابع كافي و در دسترس بودن از ديدگاه اقتصادي بعنوان اصلي ترين سوخت جايگزين مطرح است. گاز طبيعي شامل بيش از 95 درصد متان و تركيبات سنگين تر مانند اتان يا پروپان و درصد ناچيزي از تركيبات ناخالصي مانند CO2 و تركيبات گوگردي از مخازن گاز يا به صورت گازهاي همراه با نفت از منابع نفت خام استخراج مي گردد. جهت استفاده از آن به صورت تجاري ابتدا در پالايشگاههاي گاز كه در نزديكي منابع استخراج قرار دارند مورد تصفيه فيزيكي و شيميايي قرار گرفته و سپس با مشخصات فني مورد نياز خطوط انتقال به پايانه هاي تحويل گاز جهت مصارف متعدد انتقال مي يابد. در مسير خطوط انتقال گاز ايستگاههاي تقويت فشار نيز مورد نياز است.
ميزان مصرف انرژي چاه تا چرخ آن قابل قياس با LPG است (يعني كمتر از بنزين و گازوئيل). همچنين گاز طبيعي به غير از هيدروكربن‌ها داراي انتشارات چاه تا چرخ كمتري ميباشد
گاز طبيعي كه سبك‌تر از هوا بوده و دماي اشتعال بالايي دارد، در مقايسه با LPG داراي خصوصيات و ويژگي‌هاي ايمني مناسب‌تري است. NG درشرايط محيطي داراي محتواي انرژي پاييني ميباشد، اما زماني كه به شكل مايع تبديل گردد قابل مقايسه با LPG خواهد بود . مخازن سوخت نصب شده بر روي خودرو معمولاً داراي فشار بالا بوده (مانند مخازن CNG) و گاهي اوقات داراي دماهاي پايين مي‌باشند (مانند گاز طبيعي مايع LNG). معمولاً گاز CNG درون مخازن فولادي، كامپوزيتي و يا آلومينيمي تحت فشار 240-200 بار قرار دارد. اين مخازن براي دست يافتن به همان برد رانند?