Natural/bio gas, hydrogen and light alcohols: alternative fuels for heavy-duty internal combustion engines: the near-terms perspective for transport sector decarbonization

The rising in energy demand, combined with awareness of fossil fuel depletion and the new challenges for a more sustainable future, has outlined a new energy market structure. The transport sector, in particular, requires the implementation of a different mix of decarbonization solutions to address the challenges within each of its four main segments: roads, railways, aviation and navigation. Routes for decarbonization in transport sector are based mainly on the research of new technological solutions and the development of sustainable fuels. The direct use of electricity (through battery electric vehicles or fuel cells or even electrified railways), hydrogen, synthetic fuels and sustainable biofuels ( properly addressed to transport segments hard to decarbonize) are some of the strategies to be put in place to facilitate a feasible transition towards solutions less carbon-intensive. In recent years, with the escalation of "dogmatism", the use of electric vehicles and the electrification of the entire transport sector, has been proposed as the only solution for decarbonization, the purpose of this paper is to provide reflections on the immediate technological unfeasibility of the complete electrification, especially in some transport subsectors, those using heavy duty long-distance vehicles for example, and illustrate the encouraging results present the literature on the use of alternative fuels in internal combustion engines, from the sustainability of fuel supply to the good performance shown in vehicle testing. Three alternative fuel solutions were considered. The first one is Natural Gas whose implementation as an alternative fuel for internal combustion engines has been tested and tested for a long time and is currently in use in several countries and installed on a large number of vehicles. The results on natural gas fuelled engine opens the way to the use of Biomethane in engine field, analyzing its physical properties as fuel and using for its advantage all the progresses made with natural gas engines. The second fuel taking into account is Hydrogen, currently the most debated and the subject of many research projects around the world. Its properties and sustainable supply are key elements of its rapid growth, some disadvantages still need to be solved for a wider use of hydrogen as a fuel in internal combustion engines. Finally, the most promising fuels for decarbonisation both in the short and long term are considered: light alcohols. Methanol as an energy carrier and ethanol (already used below its potential) are analyzed together, as for hydrogen, the physical characteristics and the sustainability and renewability of their supply are the key elements of their expansion.

La domanda crescente di energia, unita alla presa di coscienza dell'esauribilità delle fonti fossili e alle nuove sfide riguardo un futuro più sostenibile ha delineato un nuovo assetto del mercato dell'energia. Il settore dei trasporti, in particolare, richiede l'implementazione di un diverso mix di soluzioni di decarbonizzazione per affrontare le sfide all'interno di ciascuno delle sue quattro aree principali: strade, ferrovie, aviazione e navigazione. Percorsi efficaci di decarbonizzazione nei trasporti si basano principalmente sulla ricerca di nuove soluzioni tecnologiche e lo sviluppo di carburanti sostenibili. L'utilizzo diretto di energia elettrica (attraverso veicoli elettrici a batteria o celle a combustibile o ancora ferrovie elettrificate), idrogeno, combustibili sintetici e biocombustibili sostenibili ( correttamente indirizzati a segmenti dei trasporti difficili da decarbonizzare) sono alcune delle strategie da mettere in campo per favorire un'attuabile transizione verso soluzioni che utilizzano ed emettono meno carbonio. Durante gli ultimi anni, in un crescente "dogmatismo", l'utilizzo di veicoli elettrici e l'elettrificazione del mondo dei trasporti è stata proposta come la soluzione unica verso la decarbonizzazione, lo scopo del presente lavoro è fornire riflessioni sull'immediata infattibilità tecnologica della completa elettrificazione soprattutto di alcuni sottosettori dei trasporti, quelli che utilizzano veicoli heavy duty a lunga percorrenza per esempio, e illustrare gli incoraggianti risultati presenti in letteratura sull'uso di combustibili alternativi nei motori a combustione interna, dalla sostenibilità dell'approvvigionamento dei combustibili alle buone prestazioni mostrate nei test sui veicoli. Sono state prese in considerazioni tre soluzioni di carburanti alternativi. Il primo dei tre combustibili analizzato è il Metano la cui implementazione come combustibile alternativo per motori a combustione interna è stata provata e testata da lungo periodo ed è attualmente in uso in diversi paesi e installata su un importante numero di veicoli. Sfruttando i risultati del gas naturale si apre la strada per l'impiego del Biometano in campo motoristico, analizzando le sue proprietà come combustibile e utilizzando a suo vantaggio ogni progresso fatto sulle prestazioni e le emissioni dei motori a gas naturale. Il secondo combustibile in esame è l'Idrogeno, attualmente il più dibattuto e oggetto di numerosi progetti di ricerca in tutto il mondo. Le sue proprietà e la fonte sostenibile sono gli elementi chiave della sua rapida crescita, alcuni svantaggi devono ancora essere superati per un utilizzo a più ampio spettro dell'idrogeno come combustibile nei motori a combustione interna. Infine sono considerati i più promettenti combustibili per una decarbonizzazione sia a breve che a lungo termine: gli alcol leggeri. Il Metanolo come vettore energetico e l'Etanolo (già utilizzato in una parte del suo potenziale) sono analizzati in concomitanza, come per l'idrogeno le caratteristiche fisiche e la sostenibilità e rinnovabilità della loro approvvigionamento, sono stati gli elementi chiave della loro espansione.