根據(jù)兩項新的研究，生物燃料更接近于成為一種具有成本競爭力、對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)阿貢國家實驗室與美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)、太平洋西北國家實驗室(PNNL)和愛達荷國家實驗室(INL)合作進行這項研究。結(jié)果表明，生物燃料與先進的發(fā)動機設計相結(jié)合，可以減少約60%的溫室氣體排放，同時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。但發(fā)動機本身的能源效率也至關重要。設計低碳燃料和發(fā)動機協(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)動機和生物燃料新創(chuàng)新的交叉點，”阿貢燃料和產(chǎn)品組經(jīng)理特洛伊·霍金斯說，他同時也是論文的作者。“我們的目標是開發(fā)與傳統(tǒng)燃料混合的新型生物燃料，以提高發(fā)動機性能。這意味著以汽油為動力的汽車或卡車在耗油量相同的情況下可以跑得更遠?；蛘卟裼蛙嚳梢赃_到更嚴格的排放標準。”

在這兩項研究中，阿貢的科學家與其他國家實驗室合作，為不同類型的發(fā)動機確定有前途的燃料。研究人員考慮了成本、環(huán)境影響和擴展到商業(yè)市場的潛力。

該研究得到了美國能源部能源效率和可再生能源辦公室、生物能源技術辦公室和汽車技術辦公室聯(lián)合領導的燃料和發(fā)動機協(xié)同優(yōu)化(Co-Optima)計劃的支持。

阿貢是由9個國家實驗室和20多個大學和工業(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)動機上同時創(chuàng)新，以提高燃油經(jīng)濟性和車輛性能，同時減少排放。

霍金斯說，能源部每個實驗室的科學家和專家在研究的每個階段都發(fā)揮了重要作用。

尋找生物燃料途徑

Co-Optimas項目的研究建立在識別和理解生物燃料的目標之上。生物燃料是由生物質(zhì)的有機材料生產(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)動機性能。

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，使用特定的標準，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)動機燃燒模式制定的。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料是一個復雜的過程，涉及原料、轉(zhuǎn)化技術和燃料類型的變量。尋找同時滿足經(jīng)濟、技術和能源目標的生物燃料途徑尤其具有挑戰(zhàn)性。”

貝納維德是其中一項研究的共同第一作者。該團隊評估了12種生物燃料生產(chǎn)途徑，以優(yōu)化多模式內(nèi)燃機。多模式內(nèi)燃機可以根據(jù)駕駛需求，通過使用不同的點火、燃燒和燃料制備方法，實現(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)成本具有競爭力，而且這七種生物燃料在使用的原料和轉(zhuǎn)化技術方面也各不相同。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施。”NREL和PNNL的研究人員對生物燃料生產(chǎn)途徑進行了技術經(jīng)濟評估，分析了成本和技術性能。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、管制排放和技術中使用的能源)模型對路徑進行的生命周期分析，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)動機的生物燃料前景

第二項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火發(fā)動機的燃燒。這是一種主要用于貨物運輸?shù)牟裼桶l(fā)動機。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)化技術包括發(fā)酵、氣化和熱液液化。

INLs運營研究和分析小組負責人達蒙·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品。然而，最大的障礙之一是原材料質(zhì)量的參差不齊。這對材料在轉(zhuǎn)換中的表現(xiàn)有很大的影響。與第一項研究一樣，大多數(shù)技術表現(xiàn)良好。大多數(shù)生物燃料與目前的天然氣價格相比具有成本競爭力。

在環(huán)境影響方面，根據(jù)GREET生命周期分析，在25個路徑中，有12個路徑的溫室氣體排放減少了60%以上。“我們評估了每種混合控制壓縮點火發(fā)動機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生物燃料的最終清單。相反，這些研究為利益攸關方選擇最能滿足其需求的生物燃料途徑提供了指導。他說：“我們?yōu)檠芯咳藛T和行業(yè)提供基于許多復雜變量的生物燃料評估指導。”生命周期和技術經(jīng)濟分析對于盡早指導利益相關者非常重要。我們不能告訴利益相關者該做什么選擇。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爭力，但在不斷波動的天然氣市場上鎖定價格還為時過早。

霍金斯說，從長遠來看，面臨的挑戰(zhàn)是提供具有成本競爭力的價格。雖然這些生物燃料生產(chǎn)途徑的目標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。其目標是盡快將生物燃料引入一系列行業(yè)的市場。

“美國能源部(DOE)一直致力于為運輸部門制定可持續(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)擴大Co-Optimas的重要工作。”

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