سوخت کربن‌خنثی

سوخت کربن‌خنثی (به انگلیسی: Carbon-neutral fuel) سوختی است که هیچگونه انتشار گازهای گلخانه‌ای خالص یا ردپای کربن تولید نمی‌کند. در عمل، این معمولاً به معنای سوخت‌هایی است که با استفاده از دی‌اکسید کربن (CO2) به عنوان مادهٔ اولیه تولید می‌شوند. سوخت‌های پیشنهادی بدون کربن را می‌توان به‌طور کلی به سوخت‌های مصنوعی، که با هیدروژنه کردن شیمیایی دی‌اکسید کربن ساخته می‌شوند، و زیست‌سوخت‌ها، که با استفاده از فرآیندهای مصرف‌کننده CO2 طبیعی مانند فتوسنتز تولید می‌شوند، دسته‌بندی کرد.

تولیدات

سوخت کربن خنثی، هیدروکربن مصنوعی است. آن‌ها می‌تواند در واکنش‌های شیمیایی بین کربن دی‌اکسید تولید شود، که می‌تواند از نیروگاه یا هوا و هیدروژن به‌دام بیفتد است که توسط الکترولیز آب و با استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر ایجاد می‌شود. این قبیل سوخت‌ها اغلب به عنوان سوخت‌های الکتریکی اطلاق می‌شود که انرژی استفاده شده در تولید هیدروژن را ذخیره می‌کند. زغال‌سنگ همچنین برای تولید هیدروژن هم استفاده می‌شود اما این می‌تواند یک منبع کربن خنثی نباشد. کربن دی‌اکسید می‌تواند به منظور تولید سوخت فسیلی کربن خنثی بدام انداخته شود یا دفن شود هرچند تجدید پذیر ناست. کربن بدام افتاده از گازهای خروجی می‌تواند سوختهای کربن خنثی تولید کند. دیگر هیدروکربن‌ها می‌توان برای تولید هیدروژن و دی‌اکسید کربن شکسته شود که پس از آن می‌تواند در حالی که هیدروژن برای انرژی یا سوخت استفاده می‌شود، ذخیره می‌شود که این هم می‌تواند یک سوخت کربنی خنثی باشد. بیشترین سوخت انرژی کارآمد برای تولید متانول است، که از واکنش شیمیایی یک اتم کربن دی‌اکسید و سه اتم هیدروژن برای تولید متانول و آب ایجاد می‌شود. انرژی ذخیره شده را می‌توان با سوزاندن متانول در یک موتور احتراق با آزاد کردن کربن دی‌اکسید. آب و گرما، بازیافت کرد. متان در یک واکنش مشابه تولید می‌شود. از انرژی بیشتر می‌توان برای ترکیب متانول یا متان به مولکول‌های سوخت هیدروکربنی بزرگتر استفاده می‌شود.

محققان همچنین تولید دی متیل اتربا استفاده از متان را پیشنهاد کرده‌اند. این سوخت می‌تواند به عنوان یک جایگزین مناسب برای سوخت دیزل به دلیل توانایی احتراق خود به خود تحت آتش فشار و دمای بالا استفاده شود. در حال حاضر در برخی از مناطق برای گرمایش و تولید انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سوخت غیر سمی است اما باید تحت فشار ذخیره شود. اکتان و اتانول همچنین می‌توانید از دی‌اکسید کربن و هیدروژن تولید شود. همه هیدروکربن مصنوعی به‌طور کلی در دمای ۲۰۰–۳۰۰ درجه سانتی گراد، و در فشار ۲۰ تا ۵۰ بارتولید می‌شوند. کاتالیزورها معمولاً برای بهبود بهره‌وری از واکنش و ایجاد نوع مورد نظر را از سوخت هیدروکربنی. مورد استفاده قرارمی‌گیرند. چنین واکنش‌هایی گرمازایی دارند و از حدود ۳ مول هیدروژن در هر مول از دی‌اکسید کربن درگیر در واکنش استفاده می‌کند. آن‌ها همچنین مقادیر زیادی از آب به عنوان یک محصول جانبی تولید می‌کنند.

مقرون به صرفه‌ترین منبع از کربن برای بازیافت به سوخت حذف گازهای گلخانه‌ای حاصل از احتراق گاز سوخت فسیلی است که به ازای هر تن آن حدوداً۷٫۵۰$دلار آمریکا به دست می‌آید. ضبط گاز خروجی خودرو نیز به عنوان مقرون به صرفه دیده می‌شود اما نیاز به طراحی گسترده تغییرات یا مقاوم‌سازی دارد. از آنجا که کربن اسید در آب دریا در تعادل شیمیایی با کربن دی‌اکسید موجود در جو است استخراج کربن از آب دریا مورد مطالعه قرار گرفته‌است. محققان هزینه استخراج کربن از آب دریا را حدود ۵۰ دلار در هر تن تخمین زده‌اند. ۵] جذب کربن از هوای محیط پر هزینه تر است، بین ۶۰۰ $ و ۱۰۰۰ $ در هر تن است و برای سنتز سوخت یا ترسیب کربن غیر عملی در نظر گرفته می‌شود. مستقیم ضبط هوا از روش‌های دیگر کمتر توسعه یافته‌است. پیشنهادها برای این روش شامل استفاده از یک ماده شیمیایی سوزاننده برای واکنش با دی‌اکسید کربن در هوا برای تولید کربنات است. پس از آن می‌تواند شکسته شود و آب کافی داده شود تا گاز CO2 خالص را آزاد کرده و مواد شیمیایی سوزاننده بازسازی کند. این فرایند نیاز به انرژی بیشتری نسبت به روش‌های دیگر دارد به دلیل دی‌اکسید کربن در غلظت‌های بسیار پایین‌تر در جو از منابع دیگراست. محققان همچنین استفاده از زیست توده رابه عنوان یک منبع کربن برای تولید سوخت پیشنهاد کرده‌اند. اضافه کردن هیدروژن به زیست توده کربن خود را برای تولید سوخت کاهش می‌دهد. این روش استفاده مزیت استفاده از ماده گیاهی برای ارزان گرفتن دی‌اکسید کربن را دار است. گیاهان نیز مقداری از انرژی شیمیایی حاصل از مولکول‌های زیستی را به سوخت اضافه می‌کنند. این ممکن است یک استفاده کارآمد تر از زیست توده نسبت به سوخت‌های زیستی متداول باشد به دلیل آنکه از کربن و انرژی مواد شیمیایی بسیاری از زیست توده به جای آزاد کردن به اندازه انرژی و کربن استفاده می‌کند. نقطه ضعف اصلی این روش، همانند تولید اتانول معمولی، آن است که با تولید مواد غذایی رقابت می‌کند.

انرژی‌های تجدید پذیر و هزینه انرژی هسته‌ای

قدرت باد در شب مقرون به صرفه‌ترین شکل از قدرت الکتریکی که برای سنتز سوخت، در نظر گرفته شده‌است. به این دلیل که منحنی بار برای برق به شدت در طول گرم‌ترین ساعت روز اوج می‌گیرد، اما احتمال وزش ملایم باد در شب نسبت به ساعات روز بیشتر است؛ بنابراین، قیمت نیروی باد در شب اغلب بسیار کم هزینه تر از هر جایگزین دیگریست. قیمت خارج از اوج قدرت باد در مناطق نفوذ باد بالا در ایالات متحده به‌طور متوسط ۱٫۶۴ سنت در هر کیلووات ساعت در سال ۲۰۰۹، بوده‌است. اما تنها ۰٫۷۱ سنت / کیلووات ساعت در طول حداقل هزینه شش ساعت از روز. به‌طور معمول، هزینه‌های برق عمده فروشی ۲ تا ۵ سنت / کیلووات ساعت در طول روز. شرکت‌های سنتز سوخت تجاری نشان می‌دهد آن‌ها می‌توانند بنزین کمتر از سوخت‌های نفتی تولید کنند زمانی که هزینه نفت بیش از ۵۵ دلار در هر بشکه برسد. نیروی دریایی ایالات متحده تخمین می‌زند که ۱۰۰ مگاوات برق می‌توانید ۴۱٬۰۰۰ گالن سوخت جت در هر روز تولید کندو تولید دریایی از انرژی هسته‌ای هزینه حدود ۶ دلار در هر گالن است. در حالی که این دو برابر هزینه سوخت نفتی در سال ۲۰۱۰، آن بود. انتظار می‌رود که بسیار کمتر از قیمت بازار در کمتر از پنج سال باشد اگر روند اخیر ادامه داشته باشد. علاوه بر این، از آنجا که تحویل سوخت به گروه نبرد حامل حدود ۸ دلار در هر گالن هزینه دارد، تولید دریایی در حال حاضر بسیار کمتر هزینه تراست.

اصلاح گازهای گلخانه‌ای

سوخت کربن خنثی ممکن است به اصلاح گازگلخانه‌ای منجر شود چرا که گاز دی‌اکسید کربن می‌تواند. برای تولید سوخت به جای این که به اتمسفر آزاد شود. مورد استفاده مجدد قراربگیرد. ضبط کربن دی‌اکسید در انتشار دود از نیروگاه‌های انرژی می‌تواند کاهش نشر گازهای گلخانه‌ای را بدنبال داشته باشد. هرچند مصرف سوخت در خودروها همان کربن را آزاد می‌کند چرا که هیچ روش مقرون به صرفه‌ای برای ضبط چنین نشری وجود ندارد. این روش می‌تواند نشر خالص کربن دی‌اکسید را نزدیک به ۵۰٪کاهش دهد اگر در تمام نیروگاه‌های سوخت فسیلی استفاده شود. پیش‌بینی شده‌است بیشترنیروگاه‌های زغال‌سنگ و گاز طبیعی با اسکرابرهای کربن دی‌اکسید در ضبط کربن به منظور بازیافت دودهای خارج شده یا به منظور ترسیب کربن به لحاظ اقتصادی بهبود می‌یابند. درچنین بازیافتی نه تنها انتظار می‌رود هزینهٔ کمتری نسبت به اثرات اقتصادی ناشی از تغییرات آب و هوایی اگر آن را انجام نداده بودند، دربرداشته باشد بلکه همزمان با رشد تقاضای سوخت جهانی هزینة خودش را جبران کرده و کمبودهای اوج نفت افزایش قیمت نفت و گاز طبیعی قابل مبادله را بدنبال دارد. گرفتن کربن دی‌اکسید به‌طور مستقیم از هوا یا استخراج کربن اسید از آب دریا نیز مقدار دی‌اکسید کربن در محیط زیست را کاهش می‌دهد، و یک چرخه بسته از کربن برای از بین بردن نشر دی‌اکسید کربن جدید ایجاد می‌کند. استفاده از این روش‌ها را نیاز به سوخت‌های فسیلی به‌طور کامل حذف می‌کند، با فرض این که به اندازه کافی انرژی تجدید پذیر می‌تواند برای تولید سوخت ایجاد شود. استفاده از هیدروکربن‌های مصنوعی برای تولید مواد مصنوعی مانند پلاستیک می‌تواند منجربه جداسازی دائمی کربن از جو شود.

سوخت‌های سنتی یا متانول

برخی از مقامات تولید متانول به جای سوخت‌های حمل و نقل سنتی را توصیه کرده‌اند. متانول در دمای معمولی مایع است و در صورت بلع می‌تواند سمی باشد. متانول سطح اکتان بالاتری نسبت به بنزین دارد اما چگالی انرژی پایین‌تر دارد، و می‌تواند با سوخت‌های دیگر مخلوط شده یا به تنهایی استفاده شود. متانول ممکن است در تولید هیدروکربن پیچیده‌تر و پلیمر مورد استفاده قرار گیرد. سلول‌های سوختی مستقیم متانول توسط آزمایشگاه رانش جت کلتک برای تبدیل متانول و اکسیژن به برق بهبود یافت می‌یابد. ممکن است متانول تبدیل به بنزین، سوخت جت یا هیدروکربن‌های دیگر شود، اما نیاز به انرژی اضافی و امکانات تولیدی پیچیده‌تر دارد. متانول کمی بیش از سوخت‌های سنتی خورنده است. که نیاز به تغییرات خودرو به میزان صد دلار آمریکا بازای استفاده از هر خودرو است.

تاریخچه

بررسی سوخت‌های کربن خنثی برای دهه‌های متوالیست که ادامه دارد. گزارش ۱۹۶۵ سنتز متانول از دی‌اکسید کربن در هوا با استفاده از انرژی هسته‌ای به عنوان انبار سوخت سیار پیشنهاد داده‌است. تولید کشتی با استفاده از سوخت مصنوعی انرژی هسته‌ای در سال ۱۹۷۷ و ۱۹۹۵مورد مطالعه قرار گرفت. گزارش ۱۹۸۴ بازیابی دی‌اکسید کربن از گیاهان سوخت‌های فسیلی مورد مطالعه قرار داد. گزارش سال ۱۹۹۵ تبدیل ناوگان خودرو برای استفاده از کربن خنثی متانول با سنتز بیشتر بنزین را مقایسه کرد.