Объяснение биометановых двигателей: что это такое и как они работают?

Ископаемое топливо не будет вечным. Хотя многие эксперты спорят о точном году, когда мы можем ожидать забивания последнего гвоздя в гроб, реальность такова, что такие факторы, как рост потребления и открытие новых запасов, могут сделать его непредсказуемым. Тем не менее, по-прежнему широко распространено мнение, что в какой-то момент он исчерпается, поэтому переход к возобновляемым источникам энергии, которые могут занять его место, представляет собой гонку со временем. Некоторые люди делают ставку на то, что ответ может оказаться в наших отходах.

По данным Управления энергетической информации США (EIA), в 2022 году более четверти всего потребления энергии в Америке приходилось на транспорт. Учитывая это, неудивительно, что поиск альтернативных источников топлива и разработка двигателей, которые смогут их эффективно использовать, потенциально могут стать тем, что нам нужно для продвижения вперед. И одним из возможных решений, предложенных экспертами для решения этой проблемы, является переход на биотопливо, такое как биометан.

В 2023 году Fortune Business Insights сообщила, что отрасль альтернативного топлива не только уже стоит более 460 миллиардов долларов, но и, как ожидается, всего за девять лет она будет оценена в десять раз дороже. Кроме того, осталось чуть больше десяти лет до того, как Европейский Союз официально запретит продажу новых автомобилей, работающих на ископаемом топливе, в 2035 году. Зная это, у инвесторов появляется все больше стимулов поддерживать развитие альтернативных видов топлива. Итак, какую роль в этом играет биометан и что отличает его от других альтернатив топлива?

Прежде чем мы углубимся в то, что такое биометан, нам сначала нужно понять его самый важный компонент: биогаз. Проще говоря, биогаз — один из продуктов, которые естественным образом образуются после того, как органические материалы подвергаются анаэробному сбраживанию. В обычных обстоятельствах этот процесс происходит без вмешательства человека в таких местах, как свалки, фермы и очистные сооружения.

В прошлом биогаз использовался для питания всего: от уличных фонарей до центров обработки данных Apple. Однако, чтобы иметь возможность работать в качестве подходящей альтернативы двигателям, работающим на природном газе, биогаз необходимо было подвергнуть дальнейшей обработке, чтобы улучшить его качество и эффективность. Частично это связано с тем, что снижается риск повреждения двигателей, которые были разработаны для использования на природном газе, особенно потому, что некоторые виды биогаза могут содержать вредные химические вещества, такие как силоксаны. К счастью, исследователям удалось оптимизировать этот процесс и создать альтернативу топливу — возобновляемый природный газ (RNG). По данным Агентства по охране окружающей среды (EPA), RNG можно добавлять непосредственно в существующую инфраструктуру распределения ископаемого топлива и природного газа и использовать с существующими двигателями, работающими на природном газе (с некоторой дополнительной доработкой по сравнению с использованием для других применений).

В настоящее время большая часть биометана в мире представляет собой продукт биогаза, который был очищен или «модернизирован». Чтобы вывести биогаз на новый уровень, Агентство по охране окружающей среды утверждает, что в процессе удаляются такие загрязнители, как азот, углекислый газ и другие летучие органические соединения. Тем не менее, МЭА также утверждает, что существуют альтернативные способы производства биометана, например, подвергание определенной биомассы воздействию определенных условий, таких как экстремальное давление и высокая температура.

Поскольку он функционирует по существу так же, как природный газ, биометан может использовать аналогичную инфраструктуру для распространения и может использоваться в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), которые были разработаны для него. Фактически, многие европейские страны, такие как Швеция, Франция и Германия, уже в течение многих лет добавляют биометан в свои сети природного газа. В 2010 году Volkswagen начал испытания Bio-Bug в Великобритании, первого автомобиля, работающего на биогазе (который также мог работать на бензине), который, как утверждает компания, не пострадал в производительности. В партнерстве с фирмой по устойчивой энергетике GENeco в ходе шестимесячного испытания использовались человеческие отходы, собранные в жилых домах Бристоля, для производства альтернативного топлива. Но в последнее время биометан оказался в центре внимания.

В декабре 2023 года компания Scania выпустила совместимую с биометаном версию своих двигателей для тяжелых грузовиков OC13, которая, по ее утверждению, может увеличить экономию топлива для коммерческих автопарков до 5%. Год спустя ведущие японские производители автомобилей Toyota, Suzuki и Nissan также поделились своими планами по разработке автомобилей, отражающих растущую потребность в сокращении выбросов, включая инвестиции в биометановые двигатели. Фактически, одним из долгожданных автомобилей, работающих на биометане, который скоро выйдет на улицы, является Suzuki WagonR.

В соответствии с этим, несколько японских компаний на протяжении многих лет также добились заметных успехов в разработке и экспериментировании с вспомогательными технологиями, такими как установки по переработке сельскохозяйственных отходов в биогаз и проведение испытаний судов, работающих на сжиженном биометане.

В наши дни даже электромобили имеют скрытый углеродный след во всей цепочке поставок и в процессе эксплуатации. Так в чем именно проблема с биометановыми двигателями? Начнем с того, что исследование Elsevier десятилетней давности (PDF) о рисках, связанных с крупномасштабным производством биогаза, показало, что повреждение перерабатывающих предприятий, в частности ферментеров и газовых буферов, может привести как к отравлению, так и к возгоранию.

К сожалению, некоторые ученые все еще обеспокоены тем, что предприятия по производству биометана не принимают во внимание последствия для здоровья и безопасности окружающих сообществ, которые могут возникнуть в результате переработки, даже в последнее время. В 2022 году в другом исследовании журнала Environmental Justice утверждалось, что процесс анаэробного сбраживания, необходимый для образования метана, также выделяет другие токсичные выбросы, такие как NOx, которые могут вызвать множество проблем со здоровьем, от респираторных проблем до расстройств настроения.

Что касается бизнеса, журнал Journal of Cleaner Production опубликовал исследование, в котором подчеркивается несколько существующих логистических проблем, связанных с поставками биометана для крупномасштабных автопарков в 2023 году. Кроме того, тематическое исследование MDPI также показало, что биометан может быть менее эффективным, чем его аналог, работающий на природном газе. , главным образом из-за снижения концентрации метана в том же году. Однако это могут быть просто проблемы, которые могут решить новые технологии, особенно сейчас, когда производители автомобилей активно разрабатывают двигатели, работающие на биометане. Тем не менее, важно отметить, что, несмотря на все проблемы, перечисленные выше, изучение потенциала биометановых двигателей все еще дает много пользы.

По поводу отказа от ископаемого топлива наша команда недавно беседовала с доктором Лейном Мирсом, заведующим кафедрой автомобильного машиностроения Университета Клемсона. В интервью он сказал: «Я бы не сказал, что существовали технические препятствия, скорее, я бы сказал, что это проблема инерции рынка и экономических факторов, которые удерживают на дорогах бензиновые (и дизельные) автомобили». Другими словами, существует множество вариантов устойчивых альтернативных источников энергии, но люди должны быть заинтересованы в их переходе.

В каком-то смысле биометановые двигатели могут именно это сделать, особенно потому, что они обладают множеством функций, которые могут сделать их удобными в использовании и производстве. В отличие от других форм возобновляемой энергии, которые имеют множество ограничений с точки зрения местоположения, повсюду имеется обилие органических отходов. И, конечно же, более широкое использование биометановых двигателей и спрос на топливо могут помочь сократить количество отходов, образующихся в таких известных отраслях, как производство и сельское хозяйство.

Не говоря уже о том, что было многообещающе, что он станет значительно более дешевой альтернативой природному газу. Например, по данным Европейской биогазовой ассоциации, в 2022 году стоимость производства биометана в Европе составляла около трети стоимости природного газа. Наконец, поскольку его можно использовать с существующими транспортными средствами, работающими на природном газе, обычным потребителям может быть менее болезненно вносить изменения.