东方时讯网根据两项新研究，生物燃料更接近成为一种具有成本竞争力、气候友好的解决方案，用于削减汽车和卡车的碳排放。美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室已与美国能源部的国家可再生能源实验室(NREL)、太平洋西北国家实验室(PNNL)和爱达荷国家实验室(INL)合作开展这项研究。结果表明，生物燃料与先进的发动机设计相结合，可以减少大约60%的温室气体(GHG)排放，同时提高燃油效率或减少尾气排放。
Argonne能源系统分析师PaholaThathianaBenavides、NREL工艺工程师AndrewW.Bartling和PNNL工程师StevenPhillips是发表在ACS可持续化学与工程上的两项研究的首席分析师。
与石油汽油相比，生物燃料具有显着的优势。但发动机本身对能源效率也至关重要。设计低碳燃料和发动机协同工作可以最大限度地提高能源使用和车辆性能。
“我们正处于发动机和生物燃料创新的交叉点，”阿贡的燃料和产品集团经理、ACS可持续化学与工程研究的作者特洛伊霍金斯说。“我们的目标是开发与传统燃料混合的新型生物燃料，以提高发动机性能。这意味着汽油动力汽车或卡车可以在相同数量的燃料上走得更远。或者柴油车可以满足更严格的排放标准。”
在这两项研究中，阿贡的科学家与其他国家实验室合作，为不同的发动机类型确定有前景的燃料。研究人员考虑了成本、环境影响和扩展到商业市场的潜力。
Argonne是由DOE能源效率和可再生能源办公室、生物能源技术办公室和车辆技术办公室联合领导的燃料和发动机协同优化(Co-Optima)计划的一部分。Co-Optima的联盟由九个国家实验室和20多个大学和工业合作伙伴组成。该联盟研究燃料和发动机的同步创新如何在减少排放的同时提高燃油经济性和车辆性能。
霍金斯说，每个DOE实验室的科学家和专家在研究的每个阶段都发挥了重要作用。“这项研究是实验室如何共同努力帮助DOE完成其使命的一个很好的例子。”
寻找生物燃料途径
Co-Optima的研究建立在识别和了解生物混合原料或生物燃料的目标之上。生物燃料由生物质——包括植物、农业废弃物和湿废弃物在内的有机材料制成。生物燃料可以与传统燃料混合以减少排放并提高燃料和发动机性能。
Benavides说，研究人员与Co-Optima燃料专家合作，使用筛选过程为他们的研究制定了一份生物燃料清单。
Argonne科学家与专家合作制定了生物燃料清单，其中包括PNNL技术团队经理和Co-Optima领导团队成员DanielGaspar、NREL高级科学家GinaFioroni、NREL高级研究员RobertMcCormick和美国能源部桑迪亚国家实验室高级经理AntheGeorge。SNL)。
“我们与其他专家合作，使用特定标准将许多生物燃料候选者缩小到我们研究的短名单。这份名单是根据所需的特性和发动机的燃烧模式制定的，”贝纳维德斯说。
将生物质转化为生物燃料是一个复杂的过程，涉及原料、转化技术和燃料类型的变量。寻找同时满足经济、技术和能源目标的生物燃料途径尤其具有挑战性。
一项研究是由Benavides共同撰写的。该团队评估了12种用于优化多模式内燃机的生物燃料生产途径。根据驾驶需求，多模式发动机可以通过使用不同的点火、燃烧和/或燃料制备方法来提供更高的效率和成本节约。
研究人员使用在林业副产品(如木材废料)和农业副产品(如玉米秸秆)中发现的可再生生物质原料。他们使用的转化技术包括发酵、高温高压催化或两者结合。
“我们发现，不仅可以以具有成本竞争力的方式生产七种生物燃料，而且这七种生物燃料在使用的原料和转化技术方面也各不相同，”巴特林说。“这意味着生物精炼厂可以更灵活地选择建造设施的地点和方式。”
NREL和PNNL研究人员对生物燃料生产途径进行了技术经济评估，分析了成本和技术性能。
“我们的研究结果表明，许多生物燃料与当前的石油燃料成本相比具有竞争力，”菲利普斯说。
研究人员还分析了环境影响。使用Argonne的GREET(温室气体、管制排放和技术中使用的能源)模型对路径进行的生命周期分析显示出令人印象深刻的结果。与石油汽油相比，十种生物燃料有可能将温室气体排放量减少60%。该清单包括醇、呋喃混合物和烯烃。
生物燃料有望用于柴油发动机
第二项研究由Bartling共同撰写。研究人员分析了25种生产生物燃料的途径，这些途径经过优化以改善混合控制压燃式发动机的燃烧。这是一种主要用于货运的柴油发动机。
图形概要。学分：ACS可持续化学与工程(2022年)。DOI:10.1021/acssuschemeng.2c00781
为了开发生物燃料生产途径，研究人员使用了各种原料，从木片或玉米秸秆等植物材料，到大豆和木瓜油，再到湿废物和再生油脂。他们使用的转化技术包括发酵、气化和水热液化。
INL运营研究和分析小组负责人DamonHartley说：“美国可用的各种生物质资源具有巨大的潜力来替代现在来自石油的部分燃料和化学品。”“然而，最大的障碍之一是原材料质量的广泛差异。这会对材料在转化过程中的表现产生很大影响。”
与第一项研究一样，大多数技术表现良好。大多数生物燃料与当前的天然气价格相比具有成本竞争力。
根据GREET生命周期分析，就环境影响而言，25条路径中有12条的温室气体排放量减少了60%以上。
“我们评估了每个混合控制压燃式发动机路径的生命周期温室气体排放。这不仅包括尾气排放，还包括生物质种植、原料运输、生物燃料生产和生物燃料分配产生的上游排放，”霍金斯说。
创建生物燃料手册
贝纳维德斯说，研究人员并不打算制定一份明确的生物燃料清单。相反，这些研究为利益相关者提供了选择最能满足其需求的生物燃料途径的指南。
“我们为研究人员和行业提供基于许多复杂变量评估生物燃料的指导，”Benavides说。“生命周期和技术经济分析对于尽早指导利益相关者非常重要。我们无法告诉利益相关者做出什么样的选择。但这些工具可以从一开始就为他们指明正确的方向。”
虽然其中许多生物燃料途径可能具有成本竞争力，但在不断波动的天然气市场中锁定价格还为时过早。“从长远来看，挑战在于提供具有成本竞争力的价格，”霍金斯说。
虽然这些生物燃料生产途径针对的是汽车和柴油卡车，但阿贡研究人员也在研究在航空和海运业等难以电气化的行业中使用这些途径的潜力。目标是尽快将生物燃料推向各个行业的市场。
“能源部一直致力于为运输部门脱碳的可持续解决方案。生物燃料是其中的重要组成部分，”霍金斯说。“我们将继续扩展Co-Optima的重要工作。”
除了Argonne、ORNL、NREL、PNNL、INL和SNL，Co-Optima倡议中的其他美国能源部国家实验室是洛斯阿拉莫斯、劳伦斯伯克利和劳伦斯利弗莫尔国家实验室。