根據(jù)兩項(xiàng)新的研究，生物燃料更接近于成為一種具有成本競(jìng)爭力、對(duì)氣候友好的減少汽車和卡車碳排放的解決方案。

美國能源部(DOE)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室與美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)和愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)合作進(jìn)行這項(xiàng)研究。結(jié)果表明，生物燃料與先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以減少約60%的溫室氣體排放，同時(shí)提高燃料效率或減少尾氣排放。

生物燃料比化石汽油有明顯的優(yōu)勢(shì)。但發(fā)動(dòng)機(jī)本身的能源效率也至關(guān)重要。設(shè)計(jì)低碳燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同工作可以最大化能源效率和汽車性能。

“我們正處于發(fā)動(dòng)機(jī)和生物燃料新創(chuàng)新的交叉點(diǎn)，”阿貢燃料和產(chǎn)品組經(jīng)理特洛伊·霍金斯說，他同時(shí)也是論文的作者。“我們的目標(biāo)是開發(fā)與傳統(tǒng)燃料混合的新型生物燃料，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。這意味著以汽油為動(dòng)力的汽車或卡車在耗油量相同的情況下可以跑得更遠(yuǎn)。或者柴油車可以達(dá)到更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。”

在這兩項(xiàng)研究中，阿貢的科學(xué)家與其他國家實(shí)驗(yàn)室合作，為不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)確定有前途的燃料。研究人員考慮了成本、環(huán)境影響和擴(kuò)展到商業(yè)市場(chǎng)的潛力。

該研究得到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室、生物能源技術(shù)辦公室和汽車技術(shù)辦公室聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同優(yōu)化(Co-Optima)計(jì)劃的支持。

阿貢是由9個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室和20多個(gè)大學(xué)和工業(yè)合作伙伴組成的Co-Optimas聯(lián)盟的一部分。該聯(lián)盟研究如何在燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)上同時(shí)創(chuàng)新，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性和車輛性能，同時(shí)減少排放。

霍金斯說，能源部每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和專家在研究的每個(gè)階段都發(fā)揮了重要作用。

尋找生物燃料途徑

Co-Optimas項(xiàng)目的研究建立在識(shí)別和理解生物燃料的目標(biāo)之上。生物燃料是由生物質(zhì)的有機(jī)材料生產(chǎn)的，包括植物、農(nóng)業(yè)廢物和濕垃圾。生物燃料可以與傳統(tǒng)燃料混合，以減少排放，改善燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

貝納維德說，研究人員與Co-Optima燃料專家合作，使用篩選過程為他們的研究開發(fā)了一份生物燃料清單。

“我們與其他專家合作，使用特定的標(biāo)準(zhǔn)，將許多生物燃料候選人縮小到我們研究的短名單中。”貝納維德說，“這份清單是根據(jù)所需性能和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式制定的。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及原料、轉(zhuǎn)化技術(shù)和燃料類型的變量。尋找同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和能源目標(biāo)的生物燃料途徑尤其具有挑戰(zhàn)性。”

貝納維德是其中一項(xiàng)研究的共同第一作者。該團(tuán)隊(duì)評(píng)估了12種生物燃料生產(chǎn)途徑，以優(yōu)化多模式內(nèi)燃機(jī)。多模式內(nèi)燃機(jī)可以根據(jù)駕駛需求，通過使用不同的點(diǎn)火、燃燒和燃料制備方法，實(shí)現(xiàn)更高的效率和成本節(jié)約。研究人員使用了可再生的生物質(zhì)原料，這些原料來自農(nóng)林副產(chǎn)品，如木材廢料和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，如玉米秸稈。他們使用的轉(zhuǎn)化技術(shù)包括發(fā)酵、高溫高壓催化或兩者結(jié)合。

巴特林說：“我們發(fā)現(xiàn)，不僅七種生物燃料的生產(chǎn)成本具有競(jìng)爭力，而且這七種生物燃料在使用的原料和轉(zhuǎn)化技術(shù)方面也各不相同。這意味著生物精煉廠可以更靈活地選擇在哪里和如何建造他們的設(shè)施。”NREL和PNNL的研究人員對(duì)生物燃料生產(chǎn)途徑進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估，分析了成本和技術(shù)性能。菲利普斯說：“我們的研究結(jié)果表明，許多生物燃料與目前的石油燃料成本相比具有競(jìng)爭力。”

研究人員還分析了環(huán)境影響。使用Argonnes GREET(溫室氣體、管制排放和技術(shù)中使用的能源)模型對(duì)路徑進(jìn)行的生命周期分析，顯示出了令人印象深刻的結(jié)果。與化石汽油相比，10種生物燃料有可能減少60%的溫室氣體排放。該清單包括醇、呋喃混合物和烯烴。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的生物燃料前景

第二項(xiàng)研究是由巴特林共同撰寫的。研究人員分析了生產(chǎn)生物燃料的25種優(yōu)化途徑，以改善混合控制壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。這是一種主要用于貨物運(yùn)輸?shù)牟裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)。為了開發(fā)生物燃料生產(chǎn)途徑，研究人員使用了各種原料，從植物材料，如木屑或玉米秸稈，到大豆和木瓜的油，到濕垃圾和回收油脂。他們使用的轉(zhuǎn)化技術(shù)包括發(fā)酵、氣化和熱液液化。

INLs運(yùn)營研究和分析小組負(fù)責(zé)人達(dá)蒙·哈特利表示，現(xiàn)有的各種生物質(zhì)資源具有巨大的潛力，可以取代部分來自石油的燃料和化學(xué)品。然而，最大的障礙之一是原材料質(zhì)量的參差不齊。這對(duì)材料在轉(zhuǎn)換中的表現(xiàn)有很大的影響。與第一項(xiàng)研究一樣，大多數(shù)技術(shù)表現(xiàn)良好。大多數(shù)生物燃料與目前的天然氣價(jià)格相比具有成本競(jìng)爭力。

在環(huán)境影響方面，根據(jù)GREET生命周期分析，在25個(gè)路徑中，有12個(gè)路徑的溫室氣體排放減少了60%以上。“我們?cè)u(píng)估了每種混合控制壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)路徑的生命周期溫室氣體排放。”霍金斯說，“這不僅包括尾氣排放，還包括生物質(zhì)種植、原料運(yùn)輸、生物燃料生產(chǎn)和生物燃料分配所產(chǎn)生的上游排放。”

創(chuàng)造生物燃料途徑

貝納維德說，研究人員不打算制定一個(gè)生物燃料的最終清單。相反，這些研究為利益攸關(guān)方選擇最能滿足其需求的生物燃料途徑提供了指導(dǎo)。他說：“我們?yōu)檠芯咳藛T和行業(yè)提供基于許多復(fù)雜變量的生物燃料評(píng)估指導(dǎo)。”生命周期和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對(duì)于盡早指導(dǎo)利益相關(guān)者非常重要。我們不能告訴利益相關(guān)者該做什么選擇。但這些工具可以從一開始就為他們指明正確的方向。雖然許多生物燃料途徑可能具有成本競(jìng)爭力，但在不斷波動(dòng)的天然氣市場(chǎng)上鎖定價(jià)格還為時(shí)過早。

霍金斯說，從長遠(yuǎn)來看，面臨的挑戰(zhàn)是提供具有成本競(jìng)爭力的價(jià)格。雖然這些生物燃料生產(chǎn)途徑的目標(biāo)是乘用車和柴油卡車，但阿貢的研究人員也在研究航空和海事等難以電氣化的行業(yè)使用這些途徑的潛力。其目標(biāo)是盡快將生物燃料引入一系列行業(yè)的市場(chǎng)。

“美國能源部(DOE)一直致力于為運(yùn)輸部門制定可持續(xù)的脫碳解決方案。”霍金斯說，生物燃料是其中的重要組成部分。“我們將繼續(xù)擴(kuò)大Co-Optimas的重要工作。”

除了Argonne、ORNL、NREL、PNNL、INL和SNL，參與Co-Optima計(jì)劃的其他美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室有洛斯阿拉莫斯、勞倫斯伯克利和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室。