美国研究人员结合生物燃料与发动机设计 有望节省能源和成本-天天快资讯

根据两项新研究，生物燃料或可成为一种具有成本竞争力、气候友好的解决方案，以削减汽车和卡车的碳排放。

据外媒报道，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）已与DOE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，通过将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。

图片来源：阿贡国家实验室

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两项相关研究已发布于期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》，研究领导者为阿贡能源系统分析师Pahola Thathiana Benavides、NREL工艺工程师Andrew W. Bartling和PNNL工程师Steven Phillips。

与石油相比，生物燃料具有显著优势。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。

阿贡燃料和产品经理、ACS可持续化学与工程研究的作者Troy Hawkins表示：“我们正处于发动机和生物燃料创新的十字路口。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消耗等量燃料的续航可以更久。柴油车或将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。研究人员考量了各种因素，包括成本、环境影响和扩展到商业市场的潜力。

阿贡是由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。该联盟主要研究燃料和发动机的同步创新，实现减排的同时提高燃油经济性和车辆性能。

寻找生物燃料途径

基于对生物混合原料或生物燃料的识别和了解，研究人员建立的了Co-Optima的研究。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表示，研究人员与Co-Optima燃料专家合作，使用筛选工艺为研究制定了一份生物燃料清单。阿贡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Daniel Gaspar、NREL高级科学家Gina Fioroni、NREL高级研究员Robert McCormick和美国能源部桑迪亚国家实验室（SNL）高级经理Anthe George。

Benavides表示：“我们与其他专家合作，使用特定标准缩小众多候选生物燃料清单。该清单是根据所需特性和发动机的燃烧模式制定的。”

研究团队评估了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/或燃料制备方法来实现更高的效率和成本节约。

图片来源：期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》

研究人员使用的可再生生物质原料是在林业副产品（如木材废料）和农业副产品（如玉米秸秆）中发现的，而使用的转化技术包括发酵、高温高压催化或两者结合。

Bartling表示：“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。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。Phillips表示：“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。”

研究人员还分析了环境影响。使用阿贡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，共有十种生物燃料有可能将温室气体排放量减少60%，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种生产优化生物燃料的方法，以改善混合控制压燃式发动机的燃烧。这些是主要用于货运的柴油发动机。

为了开发生物燃料生产途径，研究人员使用了各种原料，包括木片或玉米秸秆等植物材料，大豆和木瓜油，以及湿废物和再生油脂。使用的转化技术包括发酵、气化和水热液化。

图片来源：期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》

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种方法中有12种的温室气体排放量减少了60%以上。

创建生物燃料手册

Benavides称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最能满足其需求的生物燃料途径的选择指南。

Benavides表示：“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。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。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，从而尽快将生物燃料推向各个行业。