انرژی‌های جایگزین در خودروها

در مقاله دانستی‌های سوخت خودرو در مورد سوخت‌های اصلی خودرو یعنی بنزین و گازوئیل مطالبی ارائه شد و در کنار آنها دو سوخت دیگر که در کشور ما به‌عنوان سوخت جایگزین استفاده می‌شوند یعنی CNG و LPG نیز نکاتی بیان شد.
با توجه به اهمیت انرژی‌های جایگزین در خودروها در این مقاله انرژی‌های جایگزین سوخت‌های اصلی خودرو مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

انرژی جایگزین یا سوخت‌ جایگزین

عبارت Alternative Fuel اصلاحی است که برای ترجمه تحت و لفظی آن ” سوخت‌ جایگزین ” عبارت مناسبی به نظر می‌رسد. اما باتوجه‌به اینکه در آخرین دسته‌بندی‌های Alternative fuel انرژی الکتریکی هم بخشی از آن شمرده می‌شود و انرژی الکتریکی با کلمه سوخت به مفهومی که ما می‌شناسیم قرابت زیادی ندارد در اینجا عبارت “انرژی‌ جایگزین” در خودرو برای آن مفهوم استفاده خواهد شد. شکل 1 انواع انرژی‌های جایگزین متداول در دنیا را نشان می‌دهد.

شکل 1- متداول‌ترین انرژی‌های جایگزین برای خودروها

همانطور که در شکل 1 ملاحظه می‌شود، در خودروهای امروزی 6 جایگزین بنزین و گازوئیل در نظر گرفته می‌شود. این انرژی‌ها عبارت‌اند از:

گاز طبیعی (CNG -LNG)
پروپان (LPG)
بیودیزل
اتانول
هیدروژن
الکتریسیته

سوخت‌های CNG و LPG در مقاله قبلی تشریح شدند. برای مشاهده آن به مقاله دانستی‌های سوخت خودرو مراجعه کنید.

بیودیزل BiDiesel

همانطور که در مقاله قبلی تشریح شد سوخت‌های اصلی محصولات نفتی هستند. اما محصولات نفتی محدود هستند و روزی تمام خواهند شد.
به همین دلیل سال‌هاست که کنار استفاده از محصولات نفتی، از روش‌های دیگری نیز برای تهیه سوخت استفاده می‌کنند. یکی از این روش‌ها استفاده از محصولات گیاهی و تبدیل آن به سوخت قابل‌ استفاده در خودروها است.
تمامی این سوخت‌ها تحت عنوان کلی BIO Mass که به فارسی زیست‌توده نامیده می‌شود. به‌صورت کلی تمامی محصولات گیاهی که قابلیت تبدیل به سوخت شدن را طی روش‌ها و فرایندهای مختلف دارند زیست‌توده و گاهی Bio fuel (سوخت زیستی) می‌نامند.
زیست‌توده‌ها هم می‌توانند به عنوان سوخت جایگزین مانند بنزین و گازوئیل باشند. زیست‌توده‌های که جایگزین گازوئیل هستند با نام بیودیزل شناخته می‌شوند. بیو دیزل‌ها ترکیب روغن‌های مختلف با منشأ حیوانی یا گیاهی با گازوئیل اصلی است. معمولاً این نوع سوخت‌ها را با حرف B و یک عدد مشخص می‌کنند. مثلاً B20. عدد 20 در کنار حرف B به این مفهوم است که 20% از سوخت از محصولات زیستی و 80% آن از گازوئیل حاصل از مشتقات نفت است. (شکل 2)

شکل 2- عرضه بیودیزل جایگاه سوخت

به‌صورت کلی استفاده از زیست‌توده‌ها به‌عنوان سوخت جایگزین  باعث کاهش میزان آلاینده‌های زیست‌محیطی و همچنین حفظ منابع محدود نفتی می‌شود. شکل 3 این موضوع را نشان می‌دهد.

شکل 3- حفاظت از محیط‌زیست با استفاده از سوخت‌های زیستی

همانطور که ذکر شد بیو دیزل‌ها بیشتر در خودروهای سنگین و تجاری استفاده می‌شوند.
معمولاً سوخت‌های جایگزین دیگر اقبالی در این حوزه ندارند. البته برخی خودروهای سنگین با سوخت گاز طبیعی (LNG یا CNG) وجود دارد اما از نظر تعداد با خودروهایی که می‌توانند سوخت بیودیزل استفاده کنند قابل‌مقایسه نیست.
در واقع موتورهای که از سوخت بیودیزل استفاده می‌کنند تفاوتی چندانی با موتورهای گازوییل‌سوز ندارند. شکل 4 جایگاه‌های سوخت که می‌توان در آنها بیودیزل سوخت‌گیری کرد را در امریکا نشان می‌دهد.

شکل 4- جایگاه‌های سوخت – بیودیزل – آمریکا

همانطور که در شکل 4 ملاحظه می‌شود برخی ایالات بسیار فعال‌تر از برخی دیگر هستند که این موضوع ارتباط به دسترسی به منابع سوخت فسیلی و مزارع کشت در آن ایالت را دارد. تعداد جایگاه‌های سوخت بیودیزل در اروپا نسبت به آمریکا کمتر است. شکل 5 مجموعه جایگاه‌های سوخت در اروپا که از سوخت‌های جایگزین استفاده می‌کند در سال 2017  را نشان می‌دهد.

رنگ زرد کم‌رنگ جایگاه سوخت بیودیزل (B20)
شکل 5- جایگاه‌های سوخت‌ جایگزین در اروپا 2017

شکل 6 بیودیزل و گازوئیل را از نظر آلاینده‌های تولیدی با هم مقایسه کرده است

شکل 6- مقایسه میزان آلایندگی E20 و گازوئیل

همانطور که در شکل ملاحظه می‌شود میزان CO و HC در E20 کمتر از گازوئیل است اما میزان NOX تقریباً بیشتر از گازوئیل است.

اتانول – بیوگاز

زیست‌توده‌هایی که  به عنوان سوخت جایگزین بنزین هستند با نام Bio gas شناخته می‌شدند. البته نظر به اینکه ماده اصلی در این نوع سوخت‌ها اتانول است بیشتر با نام سوخت اتانول شناخته می‌شوند. اتانول زیستی معمولاً از ذرت استخراج می‌شود. شکل 7 فرایند استخراج اتانول از ذرت را به‌صورت ساده نشان می‌دهد.

شکل 7- شماتیک فرایند استحصال اتانول از ذرت

معمولاً این سوخت‌ها با حرف E که ابتدای کلمه اتانول است مشخص می‌شوند. معروف‌ترین نوع سوخت جایگزین از نوع اتانول E85 است. سوخت E85 سوختی است که بین 51% الی 85% آن از اتانول تشکیل شده و باقی آن بنزین است. شکل 8 جایگاه سوخت این نوع را نشان می‌دهد.

شکل 8 –جایگاه عرضه اتانول E85

غیر از E85 مخلوط‌های دیگری از اتانول و بنزین نیز استفاده می‌شود به‌عنوان‌مثال E10 یکی دیگر از سوخت‌های جایگزین با اتانول است. شکل 9 انواع دیگر سوخت با ترکیب اتانول را در جایگاه سوخت نشان می‌دهد.

شکل 9- سوخت‌های جایگزین – اتانول

معمولاً قیمت تمام شده E85 حدود 30 درصد کمتر از قیمت بنزین با درجه اکتان بالای 90 در نظر گرفته می‌شود. به شکل 8 توجه کنید، سوخت‌های با درصد مخلوط پایین اتانول مانند E15 یا E10 را در برخی پمپ‌های سوخت تحت عنوان بنزین با درجه اکتان پایین نیز معرفی می‌کنند. مثلاً در شکل 10 بنزین با درجه اکتان 89 دارای 10% اتانول است.

شکل 10- انواع نازل سوخت بنزین با درجه اکتان‌های مختلف و اتانول

سوخت‌های اتانولی جایگزین بنزین به دلیل قیمت کمتر و دوستدار محیط‌زیست بودن با استقبال زیادی مواجه شده است. شکل 11 جایگاه سوخت اتانول را در امریکا نشان می‌دهد.

شکل 11- جایگاه سوخت با توانایی سوخت‌گیری اتانول – امریکا

شکل 12 کشورهای اتحادیه اروپا را از نظر تعداد جایگاه‌های سوخت عرضه اتانول مورد بررسی قرار داده است.

شکل 12- تعدد جایگاه‌های سوخت اتانول در اتحادیه اروپا (2016)

مقایسه مسافت پیموده شده نوع بنزین با انواع اتانول‌ها بسیار دشوار است، چون تکنولوژی ساخت خودرو تأثیر مستقیم در میزان مصرف و البته آلاینده‌های تولیدی دارد. اما به‌صورت تقریبی یا موردی می‌توان مقایسه انجام داد. به‌عنوان‌مثال شکل زیر به‌صورت نمادین چند نوع سوخت را از نظر کیلومتر طی شده مقایسه می‌کند.

شکل 13- مقایسه بنزین و E10 و E15 از نظر مسافت طی شده با لیتر مساوی

هیدروژن

 هیدروژن یک سوخت جایگزین در خودروها است. هیدروژن به دو صورت در خودروها استفاده می‌شود. یکی به‌عنوان سوخت موتور احتراق داخلی و دیگری در پیل سوختی مورداستفاده در خودروهای برقی استفاده می‌شود.
اگرچه این سوخت به‌عنوان یکی از سوخت‌های جایگزین شناخته شده است اما هیچگاه از نظر فراوانی در استفاده به بیودیزل، اتانول نمی‌رسد. جایگاه‌های سوخت هیدروژن در دنیا بسیار محدود هستند. یکی از دلایل این اتفاق نیاز به ذخیره‌سازی با فشارهای بالا نیاز دارد. عموماً این فشارها بالا bar 200 است که مسائل ایمنی در آن مطرح می‌شود. شکل 14 نوعی جایگاه سوخت‌رسانی هیدروژن را نشان می‌دهد.

شکل 14- جایگاه عرضه هیدروژن

شکل 15 جایگاه سوخت هیدروژن را در امریکا , شکل 16 تعداد جایگاه‌ها در اتحادیه اروپا را نشان می‌دهد.

شکل 15- جایگاه‌های عرضه هیدروژن در آمریکا

شکل 16- جایگاه عرضه هیدروژن در اتحادیه اروپا (2021)

با مقایسه شکل 15 و 16 مشاهده می‌شود عرضه هیدروژن به‌عنوان سوخت جایگزین در اروپا نسبت به آمریکا بیشتر است.
نظر به اینکه خودروهای الکتریکی روزبه‌روز متداول‌تر می‌شوند استفاده از پیل سوختی نیز که یکی از روش‌های تأمین برق در خودروها است بیشتر می‌شود. تفاوت میزان استفاده هیدروژن در اروپا و امریکا ناشی از نوع تأمین برق در خودروهای برقی است.
البته باتوجه‌به جدیدتر بودن تکنولوژی شارژ الکتریکی در خودروهای برقی قطعاً از میزان استفاده پیل‌های سوختی و متناسب با آن میزان استفاده از هیدروژن نیز کاهش خواهد یافت.

الکتریسیته

قطعاً یکی از مهم‌ترین انرژی‌های جایگزین الکتریسیته است. البته استفاده از خودروهای برقی قدمتی طولانی به‌اندازه استفاده از خودروهای احتراق داخلی دارد که در یک مقاله مجزا به آن پرداخته خواهد شد. باتوجه‌به برنامه‌ریزی‌های شرکت‌های خودروساز، در سال‌های آینده انرژی الکتریکی جایگزین اصلی سوخت‌ها بنزین و گازوئیل خواهد شد.

شکل 17- نوعی جایگاه شارژ خودرو برقی

شاید بتوان گفت بین انرژی‌های مورداستفاده در خودرو پاک‌ترین نوع انرژی مورداستفاده انرژی الکتریکی باشد. البته تولید الکتریسیته در نیروگاه متناسب با روش تولید آن (نیروگاه حرارتی – سد – نیروگاه بادی و …) آلودگی‌های زیست‌محیطی خواهد داشت اما دیگر میزان این آلودگی‌ها در خودرو نسبت به خودروهای احتراق داخلی بسیار کمتر خواهد بود. شکل 18 جایگاه‌های شارژ خودرو در امریکا و شکل 19 این جایگاه‌ها را در اروپا نشان می‌دهد.

شکل 18- جایگاه شارژ خودروهای برقی در امریکا

شکل 19 – جایگاه شارژ خودروهای برقی در اروپا

توجه شد جایگاه‌های شارژ خودروهای برقی مدل‌های مختلف و کانکتورهای اتصال متفاوتی دارند بنابراین در هنگام جستجو نتایج بر حسب روش شارژ و نوع کانکتور و سال مورد بررسی می‌تواند متفاوت باشد.

در این مقاله به‌صورت خلاصه در مورد انرژی‌های جایگزین در خودرو مطالبی ارائه شد. در مقاله‌های بعدی در مورد خودروهای AFV و الکتریکی و روش‌های عملکرد آنها مطالبی گفته خواهد شد. مقاله‌های این گروه را پیگیری کنید.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی