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替代燃料（英语：alternative fuel） ，也称为非传统燃料（英语：non-conventional fuel）和先进燃料（英语：advanced fuel），[1]是由石油以外衍生出的燃料，[2]包括有气态化石燃料（如丙烷、天然气、甲烷和氨），生物燃料（如生质柴油）、醇类燃料和废弃物衍生燃料，另外有再生燃料，如氢气和电力。[3]
这些燃料被用来取代交通运输中具有高碳强度的汽油和柴油等能源，将有助于脱碳和降低污染排放。[2][4]替代燃料也被证明可减少非碳排放，例如废气中的一氧化氮和二氧化氮，以及二氧化硫和其他有害气体。如此对于采矿等行业尤其重要，因为可避免有毒气体在工作地点积聚的问题。
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在欧盟，替代燃料由欧洲议会和欧盟理事会于2014年10月22日关于替代燃料基础设施部署的第2014/94/EU号指令定义。
"替代燃料"指的是在运输能源中至少部分替代石油来源的燃料或是动力源，且能有助于运输部门脱碳并提高环境绩效。这类燃料包括如：
- 电力、
- 氢气、
- 根据2009/28/EC指令第2条第 (i) 点定义的生物燃料、
- 合成燃料和石蜡系燃料、
- 天然气，包括气态（压缩天然气（CNG））和液态（液化天然气（LNG））的可再生天然气，以及
- 液化石油气（LPG）。
— 欧洲议会和欧盟理事会2014/94/EU号指令。
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美国国家环境保护局（EPA）将替代燃料定义为：
替代燃料包括氢气、天然气和丙烷等气体燃料，乙醇、甲醇、丁醇等醇类，植物油和废弃物衍生油类和电力。这些燃料可用于单一燃料专用系统，或是与其他燃料（包括传统汽油或柴油）混用系统，例如混合动力车辆或是弹性燃料车辆。 — EPA[5]
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加拿大于1996年制定的替代燃料法规 - SOR/96-453替代燃料法将替代燃料定义为：
依本法第二条第一项所定之"替代燃料"定义，下列物质，当用作机动车辆唯一的直接推进能源时，应视为替代燃料：
- (a) 乙醇、
- (b) 甲醇、
- (c) 丙烷气、
- (d) 天然气、
- (e) 氢气、
- (f) 电力、
- (g) 就本法第四条第一项和第五条第一项而言，任何含有至少50% (a) 至 (e) 点提及的燃料之一的混合燃料、和
- (h) 就本法案第四条第二项和第五条第二项而言，任何含有 (a) 至 (e) 点提到的燃料之一的混合燃料。
— 替代燃料法规 (SOR/96-453)[6]
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中国规定纯电动汽车必须符合当地生产的技术规范：使用寿命应超过10万公里（62,000英里），完全充电时间应少于7小时。在30分钟的充电时间内，必须可充到80%的电量。此外，纯电动汽车的耗电量必须低于0.16千瓦时/公里。[7]
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生物燃料（biofuel）也被认为是再生来源。虽然再生能源主要用于发电，但人们通常认为某种形式的再生能源或一定比例的再生能源被用于制造替代燃料。为达此目的，需要有更合适的作物以提高其含油量，研究工作在进行中。按照目前类似作物的产量，将需用到大量的土地和淡水以生产足够的油类，才有机会取代相当数量的化石燃料。[8]
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能源产业中的生物质（biomass）是指活的及最近死亡的生物材料，可用作燃料或是用于工业生产。这类材料在燃煤发电厂中很受欢迎，可将现有发电设备和基础设施转换使用再生能源发电。生物质通常指的是无法用于人用食品或是动物用饲料的植物或植物性材料，统称为硝酸纤维素生物质。生物质可透过直接燃烧产生热量，也可将其转化为各种形式的生物燃料后再使用。[9]
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媒体积极宣传藻类生物燃料，认为其有望成为取代传统石油燃料的最佳选择。藻类每年每英亩可产出超过2,000加仑燃料。[10]美国海军曾成功测试过此种燃料。[11]使用藻类制造塑胶，显示可减少产生废弃物，每磅藻类塑胶的成本预计将比传统塑胶的价格便宜。[12]
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生质柴油由动物脂肪或植物油制成，生产此种再生资源的植物有大豆、向日葵、玉米、橄榄、花生、油棕、椰、红花、油菜籽、芝麻、棉籽等。一旦这些脂肪或油脂被萃取出来，再与甲醇等醇类混合，就成为生质柴油。这类产品既可与纯柴油按不同比例混合，也可单独使用。人们对混合比例的偏好不同，但因生质柴油能更干净及更有效率燃烧，比传统柴油所释放的污染物（一氧化碳、悬浮微粒和碳氢化合物）更少。即使有超低硫柴油 （LSD）出现，将普通柴油的硫含量降低，但生物柴油不含硫，仍较LSD对环境更加友善。[13]
甲醇和乙醇是方便储存和运输的燃料，可作内燃机的替代燃料使用。丁烷具有另一优势：它是一种可利用现有的石油产品管道网络输送的燃料，而并非仅靠公路油罐车和铁路运输。[14]
氨（NH3）可作燃料使用。[15][16]船舶使用氨作燃料的好处之一是减少温室气体排放。[17]科学家们通过研究将氨转化为氮气和氢气的过程，正在探索将氮还原技术应用于燃料电池和内燃机的可能性。[18]
氨是最简单的液态氢载体分子，不含碳，可利用再生能源生产。由于氨相对容易储存和配送，因此很快就成为一种过渡燃料（以低碳燃料如氨或天然气取代高碳的化石燃料（煤碳和石油），以在近期内减少二氧化碳排放。）。[19]
乳化燃料包括多种成分，混合成油包水乳液的形式，目的在提高燃烧性能。[20]柴油也可与水乳化后作为燃料，[21]将有助于提高引擎效率并减少废气排放。[22]
碳中性燃料是由再生能源或核能生产的合成燃料，如甲烷、汽油、柴油或航空煤油，其生产过程为利用由发电厂烟道气回收的二氧化碳或从海水中提取的碳酸进行氢化而来。 [23][24][25][26]此类燃料不会导致大气温室气体发生净增加，而被认为具有碳中性功能。[27][28]在取代化石燃料时，如果它们是由废碳或海水碳酸生产，且其燃烧时包含有在烟囱或排气管设置碳捕集与封存（CCS）流程处理，会产生负碳排放结果，即有从大气中移除二氧化碳的作用。[29][30][31]这种碳中性和负排放燃料可透过将水电解，产生氢气，再经萨巴捷反应产生甲烷后加以储存，稍后在发电厂作为合成天然气燃烧，透过管道、卡车或油轮运送到别处，或是用于费托合成等气体液化过程再生产传统运输或加热用的燃料。[32][33][34]
透过现有的天然气管道来传输风能、水力和太阳能电力生产的碳中性燃料，将此类燃料作为分散式储能载体，以最大限度降低风能和太阳能所具的间歇性问题（参见间歇性再生能源）。这种再生燃料可减少进口化石燃料，降低成本和依赖性问题，又无需对现有车队进行电气化或转换使用氢气或其他燃料，而达到节约改装成本的效果。德国已建成一座250千瓦的合成甲烷工厂，目前正在扩大规模至10百万瓦。[35][36][37]德国汽车公司奥迪在韦尔特建造一座碳中性LNG工厂，[38]这座工厂将生产运输燃料，以抵消奥迪A3车型使用的液化天然气碳排放，初始每年产能可减少2,800吨的大气中二氧化碳。[39]其他类似的商业开发案正在南卡罗来纳州哥伦比亚、[40]加利福尼亚州卡马里奥[41]和英国达灵顿进行。[42]
回收制成燃料的碳来源，最便宜的方式是由化石燃料燃烧产生的烟道气中取得，成本约为每吨7.5美元。[25][28][33]汽车废气捕获也被认为可经济达成，但需在汽车上进行大量的设计改变或改造。 [43]由于海水中的碳酸与大气中的二氧化碳会达成化学平衡，因此有人进行由海水中提取碳的研究工作，[44][45]估计从海水中提取碳的成本约为每吨50美元。[26]从环境空气中捕获碳的成本更高，每吨在600至1,000美元之间，且被认为想由此做燃料合成或进行碳截存并不切实际。[28][29]
夜间风能产生的电力是制造合成燃料的最经济途径，因为通常电力负载在一天中最温暖的白天午间时段会达到峰值，但夜间风力往往比白天稍大一些，而入夜后的风力发电价格往往比任何其他时段更为便宜。 于2009年，美国高风电渗透地区的电力价格平均为每度（千瓦时）1.64美分，但在一天中最便宜的六个小时内仅为0.71美分/度。[32][46]通常白天的批发电价为2至5美分/度。[47]商业合成燃料制造公司表示，当石油成本超过每桶55美元时，他们生产合成燃料的价格会低于石油燃料的。[48]美国海军于2010年发布的研究报告估计，利用舰载核电从海水中取得氢气和二氧化碳，生产合成航空煤油的成本约为每加仑6美元。虽然这大约是2010年石油燃料成本的两倍，但如果趋势持续下去，预计在不到五年的时间内将可大幅低于市场价格。此外，由于向航空母舰战斗群运送航空煤油的成本约为每加仑8美元，因此理论上透过舰上核能电力生产已便宜许多。[49]然而美国民用核电比风电的价格为高。[50]海军估计使用100百万瓦电力每天可生产41,000加仑燃料，表明改用陆上风力发电，生产成本将会低于每加仑1美元。[51]
氢气是一种不排放温室气体的燃料。氢气燃烧后的副产品是水，但氢气燃烧时会结合大气中的氮气而产生一些氮氧化物。[52][53]
甲酸是一种潜在的燃料替代品。它的工作原理是先转化为氢气，然后将氢气置入燃料电池中使用。甲酸较氢气更易储存。[54][55]
氢气/天然气压缩混合是天然气加上4-9%氢气（按能量计）的压缩混合物。[56]氢气（H2）也可混合氧气（O2）成为氢氧混合气，以获得更好的压燃式引擎燃烧效果（运作原理与柴油引擎相同）。[57]氢氧混合气透过电解水获得。[58]
气动马达是一种使用压缩空气作为能源的活塞式引擎，不会产生温室气体排放。
丙烷有多种来源，是高性能的清洁燃料。它有许多名称，包括propane（丙烷）、LPG（液化丙烷）、LPA（液化丙烷汽车瓦斯）、汽车瓦斯等。丙烷是一种碳氢化合物，属于天然气家族。
丙烷作汽车燃料用途，具有许多汽油物理属性，而能减少尾气排放和生命周期整体排放。 丙烷是全球最主要的替代燃料，供应充足、储存安全，而且成本效益高。[59]
丙烷汽车气与其他天然气和石油产品一起在油井中生成，它也是精炼石油过程的副产品。
压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）是传统液体汽车燃料中两种更干净的替代品。
使用CNG作燃料的汽车既可使用再生CNG，也可使用不可再生的CNG。[60]
传统CNG是一种化石燃料。随著平行钻探和水力压裂等技术的成熟，原本难以开采的非常规天然气得以大量开采，从而根本性改变全球天然气的供应格局。[61]
生物燃气（属于再生天然气）是种以甲烷为主的气体，其特性与天然气相似，可用作运输车辆用燃料。目前生物燃气的来源主要是垃圾掩埋场、生活污水和动物/农业废弃物。根据制程类型，此种燃气可分为：厌氧消化产生的、从垃圾掩埋场收集并经过处理，去除微量污染物的合成天然气（SNG）。[60]
由于天然气燃烧时排放的烟雾形成污染物比其他化石燃料为少，因此在改燃烧天然气汽车的城市，空气会变得更清洁。此种燃料废气中的二氧化碳会比汽油、柴油的减少15-25%。[63]减少最大的是在各型卡车 - 中型、重型和轻型，以及垃圾车领域。[64]
使用生物燃气可减少高达88%的二氧化碳排放量。[65]
天然气和氢气都比空气轻，可混合使用。[66]
核能发电是目的在透过受控核分裂，从原子核中取得能量的核技术。目前唯一的受控方法使用的是易分裂材料中的核分裂（一小部分能量来自随后的放射性衰变）。使用核融合进行受控发电迄今尚在开发阶段，但已是个相当活跃的研究领域。[67]
核能发电通常使用核子反应炉来加热水等流体介质，产生蒸汽压力，再将蒸汽压力转换为机械功率，用来发电或在水中推进。如今世界上超过9%的电力由核能发电厂生产，[68]并已建造160多艘核动力船舶 - 多数为潜舰，也有航空母舰及破冰船。[69]
在近年，钍燃料发电也成为一活跃的研究领域。有许多科学家和研究人员参与，据报导，NASA戈达德太空研究所前所长詹姆斯·汉森教授表示："经过四十多年对气候变化的研究，我很清楚世界正朝一个除非我们开发出足够的能源来替代化石燃料，否则就会导致气候灾难的方向。更安全、更清洁、更便宜的核能可取代煤炭，是解决问题的重要关键，迫切需要开发。"[70]钍在自然界中的含量是铀的3-4倍，其矿石独居石常见于水体沿岸的沙粒中。钍引起人们兴趣的原因包括它比铀更易开采。铀矿埋藏在地下，对于参与开采的矿工来说非常危险，而钍是透过露天开采方式取得。[71][72]澳大利亚、美国和印度等国家均有独居石矿藏，其数量足以为地球提供长达数千年的电力。[73]当钍作为铀燃料的替代品，被证明会增加核子武器扩散风险（涉及技术上钍-232在反应炉中可转化为铀-233，核技术转移而被滥用等），需要深层地质处置放射性废料（例如半衰期超过20万年的𨱏-99），[74]而钍燃料可提供较铀燃料更长的反应时间，减少对燃料的依赖，同时也降低核废料的数量。[72]
有关实验性和目前运行的钍燃料反应炉列表，请参阅钍燃料循环#钍燃料反应炉列表。
此外，放射性同位素已在陆地和太空中用作替代燃料。由于盗窃同位素和设备损坏可能造成环境损害，它们在地球上的使用正在减少。放射性同位素于衰变时会产生热能和电力，特别是在阳光较弱且有低温问题的外行星探测器上能发挥作用 - 放射热能发电机（RTGs）可利用放射性同位素衰变所释放的热能，透过热电效应将热能转换为电能。[75]
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