انواع سوختها

انواع سوختها و انتخاب بهترين سوخت
در این بخش به معرفی انواع سوختهای رایج و مورد مصرف در خودروها و نیز گزینه های تحت مطالعه و تحقیق پرداخته و آنها را از جهات مختلف مورد بررسی و مطالعه قرار دهیم . سپس با توجه به اطلاعات و داده های به دست آمد ه برای هر سوخت و معیارهایی که سوختها را با آن می سنجند، بهترین سوخت را برای استفاده در خودرو معرفی می کنیم.
قبل از این کار، به توضیح مفهوم «چاه تا چرخ» که در بررسی سوختها از آن استفاده می شود،
می پردازیم:
در یک سوء تفاهم همگانی، عموم مردم به انرژی مربوط به سوخت یا آلایندگی آن، فقط هنگام سوختن در موتور و وسیله نقلیه توجه می کنند. همین سوء تفاهم درباره ایمنی و هزینه های سوخت نیز وجود دارد. در حالی که ممکن است سوختهایی که انتشار آلایندگی کمی در خودروها دارند، در مرحله تولید به شدت آلودگی ایجاد نمایند و یا حمل ونقل و ذخیره سازی سوختهایی که برای موتورهای درون سوز بسیارمناسب اند، دشوار و پر هزینه باشد.
در مقایسه سوخت خودروها، برخلاف این وضعیت، باید تمام پیشینه سوخت از مواد خام مصرفی تا استفاده از انرژی آن مد نظر قرار بگیرد. تمامی مراحل عرضه سوخت در زنجیره کامل«چاه تا چرخ» قرار می گیرد. این زنجیره دارای پنج مرحله است که عبارتند از:

- تولید ماده خام یا اولیه
- حمل ماده اولیه
- تولید سوخت
- توزیع سوخت
- مصرف در وسیله نقلیه
«سوختها و ویژگیهای آنها»
بنزین :
• بنزین از پالایش نفت خام به دست می آید و بیشترین سهم را در میان سوختهای مصرفی در خودرو به خود اختصاص داده است، بطوریکه استفاده از آن در مقیاس وسیع موجب قیمت ارزان و توسعه تجهیزات و امکانا مربوط به آن مانند پالایشگاهها،موتور خودروها، کاتالیزگرهای اگزوز و زیر ساختهای خدماتی گردیده است.
• چگالی انرژی نسبتا بالا، آن را به عنوان سوختی بسیار مناسب در موتورهای SI معرفی کرده است. اما عدد اکتان آن(که بطور متوسط در حدود 87 است) نسبت به سوختهای دیگری که در این موتورها استفاده می شود، کمتر است که این امر موجب محدود شدن نسبت تراکم (حداکثر میزان نسبت تراکم است) و در نتیجه راندمان حرارتی در این گونه موتورها می گردد.
• در مقایسه با سایر سوختها میزان مصرف انرژی چاه تا چرخ بنزین در خودروهای سبک در حد متوسط است. از نظر آلودگی، میزان انتشار NOX چاه تا چرخ در خودروهای بنزینی نسبتا کم، ولی انتشار CO در آنها نسبتا بالاست. همچنین ریختن بنزین روی زمین و یا تبخیر شدن آن درهوا، باعث ایجاد آلودگی درآب، خاک و هوا می گردد.
• امروزه به منظور کاهش آلاینده های خروجی از اگزوز خودروهای بنزین سوز و انتشار تبخیری، از بنزین با فرمول بندی جدید استفاده می کنند. برای این کار به طور همزمان چندین عامل بنزین رایج را تغییر داده، تا سوختی با ویژگیهای بهتر به دست آید. فرمول بندی جدید عموما شامل دست کم افزودن مواد اکسیژن دار مانند MTBE و ETBE و کاهش آروماتیکها، بنزن، اولفینها و نیز کاهش دمای تبخیر است.
• جهت ذخیره سازی بنزین در خودرو از مخازن فلزی و یا پلاستیکی استفاده می کنند، که نوع مواد استفاده شده در ساخت آنها، باید با سوخت سازگاری داشته باشد.
گازوئیل:

گازوئیل نیز از پالایش نفت خام به دست می آید و به لحاظ مصرف در خودرو بعد از بنزین دومین جایگاه را به خود اختصاص داده است. این سوخت در مقایسه با بنزین ارزانتر و ایمن تر است و دارای چگالی انرژی بالاتری هم می باشد. البته عدد ستان آن نسبت به سوختهای دیگر مورد استفاده در موتورهای CI کمتر است.
مصرف انرژی چاه تا چرخ گازوئیل کمتر از همه سوختها است و انتشار HC و CO آن نسبتا کم است، در حالی که انتشار NOX و PM مربوط به آن زیاد است. (ذرات معلق =PM)
کنترل انتشار آلاینده ها در مورد گازوئیل هم مانند بنزین موجب شده، که از گازوئیل با فرمول بندی جدید استفاده کنند. برای این کار محتوای گوگرد موجود در سوخت را کاهش می دهند، که در نتیجه آن انتشار SO2 وpm به طرز چشمگیری کاهش پیدا می کند.
برای ذخیره سازی گازوئیل در خودرو از مخازن فلزی استفاده می کنند، که اندکی کوچکتر از مخزن بنزین است، زیرا چگالی انرژی آن بالاتر از بنزین می باشد.

گاز مایع (C3H3)
LPG رایجترین سوخت جایگزین برای موتورهای SI می باشد ، ولی نقش اندکی در کل مصرف انرژی حمل ونقل جاده ای به خود اختصاص داده است. به علت اینکه میزان عرضه این سوخت بیشتر از نیاز بازار است، قیمت آن در سطح پایینی باقی مانده است.
عدد اکتان بالای آن موجب می شود موتورهای با سوخت LPG نسبت به موتورهای بنزینی نسبت تراکم بیشتر و در نتیجه بازده حرارتی بالاتری داشته باشند.، اما خودروهای سبک تبدیل یافته با سوخت LPG، این امتیاز را ندارند و دارای بازده حرارتی کمتری نسبت به حالت بهینه هستند. مصرف انرژی چاه تا چرخ مربوط به LPG کمتر از بنزین، و بیشتر از گازوئیل است. در خودروهای سبک انتشار NOX چاه تا چرخ نزدیک به ارقام مربوط به بنزین است، ولی انتشار آلاینده های دیگر مربوط به آن کمتر است. در خودروهای سنگین انتشار کم ذرات ریز بارزتر است.چون LPG در دما و فشار معمولی به صورت گاز است آن را در فشاری در حدود 6 تا 8 بار به مایع تبدیل می کنند و سپس در مخازن تحت فشار ذخیره می کنند. مخزن ذخیره LPG تقریبا دو برابر حجم و 1.5 برابر وزن مخزن بنزین برای یک میزان انرژی برابر را دارد. این سوخت به عنوان سوختی عموما ایمن تلقی نمی شود چرا که سنگیتر از هواست و در صورت نشتی ، بخار آن در سطح زمین پخش شده و خطر انفجار افزایش می یابد.
گاز طبیعی(CH4):

گاز طبیعی، که بخش عمده آن را متان تشکیل می دهد، تنها سوختی است که برای استفاده به عنوان سوخت خودرو، نیاز به هیچ نوع فراوری ندارد و توسط طبیعت در پوسته زمین به وجود آمده است. (تولید گاز طبیعی فقط نیاز به رطوبت گیری و حذف هیدروژن سولفید(H2S) از گاز ترش دارد).
با وجود اینکه کشورهایی چون ایتالیا، آرژانتین، روسیه، ایران و آمریکا دارای ناوگان خودرویی با سوخت گاز طبیعی اند، اما این سوخت هنوز هم سوخت مهم خودرو به شمار نمی رود.
گاز طبیعی مانند LPG، عدد اکتان بالایی دارد، که موجب افزایش نسبت تراکم و بالا رفتن بازده گرمایی موتور به میزان 10 درصد نسبت به موتور بنزینی می شود. اما بازده خودروهای تبدیل یافته با سوخت گاز طبیعی 15 تا 20 درصد کمتر از خودروهای بنزینی است.
مصرف انرژی چاه تا چرخ آن در حد LPG است. انتشار آلاینده های چاه تا چرخ در این سوخت کم است، به جز هیدروکربنها، که ناشی از نشت گاز در طول زنجیره سوخت است.
گاز طبیعی از نظر ایمنی نسبت به LPG برتری دارد، زیرا سبکتر از هواست و دمای اشتعال آن نیز بالاست، و در صورت نشت خطر انفجار آن کمتر است.
چون گاز طبیعی در دما و فشار معمولی به صورت گاز است، دانسیته انرژی پائینی دارد که این باعث کاهش مسافت رانندگی می گردد، برای رفع این مشکل در حال حاضر سه روش ANG، LNG وCNG برای ذخیره سازی گاز طبیعی در خودرو به کار گرفته می شود. که در این میان CNG رایجترین روش مورد استفاده می باشد
متانول(CH3OH):

متانول مايعی بی‌رنگ، بی بو، سمی و قابل اشتعال است که معمولا از گاز طبیعی تهیه می شود. متانول را از زیست توده (مواد سلولزی و بیشتر چوب) نیز می توان تولید کرد، ولی چون هنوز توجیه اقتصادی ندارد، این روش مورد استفاده قرار نمی گیرد.
متانول خام بر حسب نوع استفاده، تا درجات مختلف از طريق عمليات تقطير، خالص‌سازی می گردد. مشتقات اين ماده، فرمالدئيد، متيل تري بوتيل اتر (MTBE) و اسيد استيک مي‌باشد. همچنين متانول مصارف پراکنده ديگری نيز به‌عنوان حلال، شوينده شيشه اتومبيل، سوخت و بازيافت‌کننده پساب‌ها، دارا است.
هزینه تولید متانول از بنزین بیشتر و چگالی آن هم کمتر است، اما عدد اکتان کاملا بالایی دارد. به عنوان یک سوخت مایع ، کاربرد آن در مخلوط با بنزین برای استفاده در خودروهای چندگانه سوز با موتورهای SI است. در موتورهای CI خودروهای سنگین به صورت تقریبا خالص قابل استفاده است، اما چون عدد ستان آن کم است، نیاز به سازگار کردن دارد.
مصرف انرژی چاه تا چرخ متانول نسبتا بالاست، به ویژه در حالتی که منشا آن زیست توده باشد. انتشار چاه تا چرخ هیدروکربنها هم، خصوصا برای متانول از گاز طبیعی بالاتراست. اما انتشار CO2 چاه تا چرخ متانول از زیست توده می تواند بسیار کم باشد.
در حال حاضر دو نوع متانول در بازار برای مصرف در خودرو وجود دارد:
M85 که ترکیبی از 85 درصد متانول و 15 درصد بنزین بدون سرب ا ست و M100 که 100 درصد متانول است.
M85 به عنوان سوخت جایگزین درخودروهای سبک مورد استفاده قرارمی گیرد، در حالی که ازM100 درخودروهای سنگین مانند کامیونها و اتوبوسها و همچنین خودروهای ا لکتریکی استفاده می شود.استفاده از متانول به عنوان سوخت جایگزین در موتورهای احتراق داخلی باعث کاهش راندمان حرارتی و پوسیدگی در سیستم سوخت رسنی می شود، به همین علت امروزه از آن تنها برای تولید هیدروژن در FCEV ها استفاده می شود. بدین صورت که با گذشتن متانول ذخیره شده در مخزن خودرو از reformer هیدروژن تولید شده و از واکنش آن در پیل سوختی با اکسیژن انرژی الکتریکی لازم برای حرکت خودرو تولید می گردد.طبق آمار به دست آمده تا سال 2004 در حدود 21800 خودرو سبک با سوخت M85 و بیش از 400 خودروی سنگین با سوخت M100 و همچنین 40000 خودرو با پیل سوختی متانولی توسط شرکتهای معتبر خودروسازی از جمله فورد، کرایسلرو بنز طراحی و ساخته شده است و بر اساس پیش بینی های صورت گرفته تا سال 2020 میلادی تعداد خودروهای با پیل سوختی متانولی به 35 میلیون دستگاه خواهد رسید.
اتانول(C2H5OH):

گرچه خواص اتانول بسیار شبیه متانول است، اما معمولا به جای گاز طبیعی از زیست توده تولید می شود.
هزینه های تولید اتانول سه تا پنج برابر تولید بنزین است، که بستگی زیاد به هزینه های ماده خام دارد. اتانول به دو شکل مورد استفاده قرار می گیرد:
هم به عنوان سوخت درموتورهای SI و CI کاربرد دارد، و هم پس از تبدیل به ETBE به عنوان افزودنی بدون کوبش به جای سرب به بنزین اضافه می شود.(منشا تجدید پذیر آن به عنوان زیست توده دلیل اصلی استفاده از این افزودنی به جای MTBE است)
اتانول نیاز به مخزنی 50 درصد بزرگتر و 65 درصد سنگین تر از بنزین دارد، تا معادل آن انرژی تولید کند. چگالی انرژی اتانول بیشتر از متانول است، اما در مقایسه با بنزین و گازوئیل کمتر است.
چون اتانول عدد اکتان پایین تری نسبت به متانول دارد، راندمان حرارتی آن پایین تر است.
مصرف انرژی چاه تا چرخ اتانول، به ویژه زمانی که از مواد سلولزی تهیه می شود بالاست ، ولی چون از زیست توده تولید می شود، انتشار CO2 چاه تا چرخ آن از بنزین و گازوئیل کمتر است. انتشار CO و HC آن در مقایسه با بنزین در خودروهای سبک کمتر و در مقایسه با گازوئیل در خودروهای سنگین بیشتر است.
از دیدگاه ایمنی، متانول واتانول هر دو نسبت به بنزین و گازوئیل در دامنه وسیع تری ازمخلوط هوا – سوخت قابلیت اشتعال دارند. در دمای محیط متانول و اتانول به راحتی بخار قابل انفجاری را روی سطح سوخت درون مخزن تشکیل می دهند ولی در تصادف، خطرانفجار آنها کمتر از بنزین است، زیرا سرعت تبخیر آنها موجب می شود غلظتشان در هوا کم باشد و قابل انفجار نشود.
بیو دیزل:

بیو دیزل عنوان گروهی از روغنهای گیاهی ا ستری شده است که از فراورده های کشاورزی حاوی روغن تولید می شود. مهمترین این محصولات تخم کلم، لوبیای سویا، تخم آفتاب گردان و میوه نخل است.
با توجه به خواص بیودیزل که بسیار شبیه به گازوئیل است، بیو دیزل را می توان مستقیما در خودروهای گازوئیلی فعلی به کار برد.
محتوای انرژی آن حدود 8 درصد کمتر است، اما با چگالی سوخت بیشتر و عدد ستان بالاتر کیفیت احتراق بهتری دارد.
انرژی مصرفی چاه تا چرخ بیودیزل بیشتر از گازوئیل اما عموما کمتر از بنزین است. انتشار آلایندگی چاه تا چرخ آن بسیار مشابه انتشار آلاینده ها در گازوئیل است بطورکه انتشار NOX و ذرات ریز در آن زیاد، اما CO و هیدروکربنها نسبتا کم است. البته لازم به ذکر است که انتشار CO2 از چاه تا چرخ آن کم است، زیرا بیودیزل از زیست توده به دست می آید.
استفاده و کار با بیودیزل ایمن است. خطر پذیری و ریسک بهداشتی بیودیزل برای انسان و حیوانات کمتر از گازوئیل است و به دلیل تخریب پذیری کمتر برای محیط زیست هم کمتر زیانبار است.
ذخیره سازی بیودیزل مشابه گازوئیل است و در دامنه خودرویی معادل، وزن سوخت بیودیزل تقریبا 15 درصد بیشتر از گازوئیل است، اما حجم مخزن فقط باید 9 درصد افزوده شود. رسوبات ناشی از بیودیزل، تعویض ***** بیشتر و تمیز کردن مخزن در فواصل زمانی کمتر را ضروری می سازد و قطعات الاستومری سیستم سوخت رسانی نیز باید از نوع مقاوم در برابر بیو دیزل انتخاب شود.
هیدروژن(H2):

هیدروژن سوختی به صورت گاز است و تقریبا از تمام مواد اولیه حاوی هیدروژن می توان آن را به دست آورد. دو روش اصلی تولید آن، یکی الکترولیز آب و دیگری تبدیل به بخار یا گازی کردن مواد خام هیدروژن دار است. گاز طبیعی مهمترین ماده خام تولید هیدروژن به روش تبدییل با بخار است، که طی این فرایند گاز طبیعی به گاز سنتز تبدیل می گردد و سپس دی اکسید کربن و مونوکسید کربن از آن حذف می شود. مواد خام دیگر برای تبدیل با بخار شامل LPG و نفت است. روغنهای سنگین، زغال سنگ و به صورت بالقوه زیست توده را می توان از طریق گازی کردن به هیدروژن تبدیل نمود.
هیدروژن به ویژه در مرحله تولید، بیشترین مصرف انرژی چاه تا چرخ را دارد. انتشار آلاینده - ها از چاه تا چرخ بستگی بسیار زیاد به روش تولید دارد، و انتشار آلاینده ها از خودرو،به جز NOX ، از موتورهای درون سوز قابل چشم پوشی است.
عدد اکتان هیدروژن بالاست و موتور هیدروژن سوز در مقایسه با نوع مشابه بنزینی بازده گرمایی بیشتری دارد. در موتورهای SI و پیل سوختی می توان از هیدروژن استفاده کرد، ولی هم سوخت و هم خودروها گرانتر از نوع رایج اند.
هیدروژن انرژی ا شتعال بسیار کمی نیاز دارد و حدود ا شتعال پذیری آن بسیار وسیع است، بنابراین ایمنی ذخیره سوخت در خودرو مسئله اصلی در فضاهای بسته است، اما با ضوابط و معیار های کافی می توان از حوادث جلوگیری کرد. عوامل ایمنی در محیط باز مشابه همان سوختهای رایج است زیرا هیدروژن سبک است و در صورت نشت به سمت بالا حرکت می کند،
اما در فضاهای بسته بسیار خطرناک است. در دامنه وسیعی از مخلوط سوخت – هوا ( از بسیار رقیق تا بسیار غنی ) به سرعت محترق می شود.
دو روش برای ذخیره سازی هیدروژن در خودرو فعلا مورد توجه جدی است: ذخیره هیدروژن به صورت هیدرید و هیدروژن مایع. گزینه سوم یعنی ذخیره سوخت به صورت گاز تحت فشار بالا در عمل برای خودرو مشکل ساز است، زیرا مخزن حجمی معادل بیست برابر مخزن بنزین خواهد داشت.
دی متیل اتر :DME

دی متیل اتر به تازگی به عنوان سوخت خودرو مطرح شده است. تولید آن بسیار شبیه به روش تولید متانول است و مانند متانول از گاز طبیعی یا زیست توده به عنوان ماده خام استفاده می شود
تا گاز سنتز تهیه شود و سپس DME در فرایندی موسوم به سنتز اکسیژن دار تشکیل می گردد.
عدد ستان بالا (بیشتر از گازوئیل) موجب می شود که DME سوخت مناسبی برای موتورهای CI باشد، و در کارایی موتور با سوخت گازوئیل رقابت کند. DME گرانتر از بنزین است و احتمالا همین طور باقی می ماند، اما در دراز مدت ممکن است به لحاظ قیمت با گازوئیل قابل رقابت باشد.
چون DME به تازگی به عنوان سوخت خودرو مطرح شده است، داده های مربوط به مصرف انرژی و انتشار آلاینده ها در مورد آن کم است. می توان فرض کرد که مصرف انرژی آن در تولید تقریبا مانند متانول است. مصرف انرژی آن در خودروهای سبک به طور قابل ملاحظه ای کمتر از بنزین است. داده های مربوط به انتشار آلاینده ها از خودرو با سوخت DME دامنه ای بین بسیار کم برای تمام اجزاء آلاینده معادل گازوئیل برای انتشار CO و HC و معادل بنزین برای NOX و PM دارد.
DME برای انسان سمیتی ندارد، اما چشم و دستگاه تنفس را تحریک می کند.
ذخیره سازی در خودرو شبیه LPG است، بدین صورت در فشار حدود 6 بار آن را به صورت مایع در مخزن تحت فشار ذخیره می کنند. برای محتوای انرژی معادل، مخزن DME نسبت به بنزین 66 درصد بیشتر و 47 درصد وزن بیشتری دارد.
لازم به ذکر است که پمپ سوت باید شار سخت را به 12 تا 30 بار برساند تا از تبخیر DME در مسیر سوخت جلوگیری شود
انتخاب بهترین سوخت برای مصرف در خودرو
• بهترین سوخت یا سوخت آرمانی، ضمن آنکه تمام امتیازات سوختهای رایج فعلی را در بر دارد، نباید هیچکدام از عیبها و نقائص آنها را داشته باشد، ولی با وجود تحقیقات صورت گرفته، تاکنون چنین سوختی توسط بشرتولید نشده است. در این قسمت هدف اینست که از میان سوختهای معرفی شده دربخش قبلی، بهترین سوخت را برای مصرف در خودروهای سبک به گونه ای انتخاب کنیم که همزمان با هزینه های منطقی، بتواند با معیارهای تعریف شده برای میزان انتشارآلاینده ها و قابلیت قطع وابستگی به نفت مطابقت داشته باشد.
• معیارهای دراز مدت که برای بهترین سوخت در خودروهای سبک در نظر گرفته می شوند به ترتیب زیر می باشد:
• هر سوخت باید براساس جدول زیر با استاندارد ULEV کالیفرنیا( خودرو با آلایندگی بسیار کم) برای میزان انتشار آلاینده ها در مورد انتشار محلی مطابقت داشته باشد.
• باید انتشار گازهای گلخانه ای را از چاه تا چرخ به میزان 50 درصد در مقایسه با خودروهای بنزین سوز کاهش دهد.
• سوختی وابستگی به نفت را کاهش می دهد که قابلیت جایگزینی به میزان 10 درصد مصرف سوخت خودروها در سطح جهان را داشته باشد.
• هزینه های چاه تا چرخ نباید از 1/1 برابر هزینه های مربوط به بنزین تجاوز نماید.
• سازمان خدمات اطلاعاتی سوخت خودروها (AFIS)، وابسته به آژانس بین المللی انرژی که اجرای موافقتنامه برای سوختهای پیشرفته موتور را به عهده دارد، در زمینه انتخاب بهترین سوخت، مطالعات و تحقیقات گسترده ای را روی انواع سوختهای مصرفی در خودرو ، انجام داده است، که نتایج این تحقیقات به صورت نمودار زیر، توسط آژانس بین المللی انرژی منتشر شده است:

آلاینده NOX فرمالدئید CO

استاندارد 0.04( g/mile)1.7 ( g/mile) 0.008( g/mile)


با توجه به نمودار صفحه قبل و همچنین معیارهای در نظر گرفته شده برای انتخاب بهترین سوخت به نتایج زیر می توان رسید :
- DME از گاز طبیعی، جایگزین خوبی برای بنزین و گازوئیل است. با معیارها مطابقت دارد و در دراز مدت می تواند به قیمتی قابل مقایسه با بنزین عرضه شود.
- LPG و CNGو متانول در صورتی که گازهای گلخانه ای منتشره از آنها به سطحی پایین تر تقلیل داده شود با معیارها مطابقت دارند. متانول از سلولز، در صورتی که ظرفیت ماده خام به اندازه کافی گسترش یابد چنین خواهد بود. هزینه های این سوختها احتمالا در دراز مدت از هزینه های بنزین چندان بیشتر نخواهد شد.
- هیدروژن هم با معیار مطابقت خواهد داشت، اما هزینه های دراز مدت آن در دسترس نیست.
نتیجه گیری:
واضح است که، استفاده گسترده و همه جانبه از اغلب سوختهای جایگزین معرفی شده، نیازمند بکار گیری تکنولوژیهای جدید و تغییرات اساسی در زیر ساختهای تهیه و توزیع و همچنین فرهنگ سازی عمومی می باشد، که این خود زمان و هزینه زیادی را می طلبد.
از طرفی برای رفع سریع و کوتاه مدت مشکلات اقتصادی و زیست محیطی ناشی از سوختهای فسیلی رایج، باید از بین سوختهای جایگزین تولید شده، سوختی را برگزید که علاوه بر فراوانی و سادگی تولید، حداقل مشکلات مذکور را داشته باشد، که در نهایت گاز طبیعی مورد توجه قرار گرفت.
امروزه استفاده از این سوخت در بسیاری از صنایع از جمله صنعت خودرو روز به روز گسترش می یابد و بسیاری از کشورها از جمله ایران در این زمینه سرمایه گذاری های زیادی را انجام داده اند.
منبع : سایت خودروها