Nhiên liệu sinh học kết hợp với thiết kế động cơ tiên tiến cho thấy hứa hẹn tiết kiệm năng lượng và chi phí

Nhiên liệu sinh học kết hợp với thiết kế động cơ tiên tiến cho thấy hứa hẹn tiết kiệm năng lượng và chi phí

    Nhiên liệu sinh học kết hợp với thiết kế động cơ tiên tiến cho thấy hứa hẹn tiết kiệm năng lượng và chi phí
    bởi Beth Burmahl, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne

    truck mountain road
    Nhiên liệu sinh học, có lợi thế đáng kể so với dầu mỏ, có thể được pha trộn với nhiên liệu thông thường để cải thiện hiệu suất động cơ và giảm lượng khí thải trong ô tô và xe tải. Ảnh: Pixabay / CC0


    Theo hai nghiên cứu mới đây, nhiên liệu sinh học đang tiến gần hơn đến việc trở thành một giải pháp thân thiện với khí hậu, có chi phí cạnh tranh để cắt giảm lượng khí thải carbon trong ô tô và xe tải, theo hai nghiên cứu mới.

    Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã hợp tác với Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia của DOE (NREL), Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho (INL) trong nghiên cứu. Kết quả cho thấy nhiên liệu sinh học kết hợp với thiết kế động cơ tiên tiến có thể giảm khoảng 60% lượng phát thải khí nhà kính (GHG) trong khi cải thiện hiệu suất nhiên liệu hoặc giảm lượng khí thải từ ống xả.

    Nhà phân tích hệ thống năng lượng Argonne Pahola Thathiana Benavides, kỹ sư quá trình NREL Andrew W. Bartling và kỹ sư PNNL Steven Phillips là các nhà phân tích chính cho hai nghiên cứu được công bố trên ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

    Nhiên liệu sinh học có những lợi thế đáng kể so với xăng dầu. Nhưng bản thân động cơ cũng rất quan trọng đối với hiệu quả sử dụng năng lượng. Việc thiết kế động cơ và nhiên liệu carbon thấp để hoạt động cùng nhau có thể tối đa hóa việc sử dụng năng lượng và hiệu suất của xe.

    Troy Hawkins, giám đốc nhóm, nhóm nhiên liệu và sản phẩm của Argonne, tác giả của cả hai nghiên cứu Hóa học & Kỹ thuật Bền vững ACS, cho biết: “Chúng tôi đang ở giao điểm của những cải tiến mới trong cả động cơ và nhiên liệu sinh học. "Mục tiêu của chúng tôi là phát triển nhiên liệu sinh học mới pha trộn với nhiên liệu thông thường để cải thiện hiệu suất động cơ. Điều này có nghĩa là một chiếc ô tô hoặc xe tải chạy bằng xăng có thể tiến xa hơn với cùng một lượng nhiên liệu. Hoặc một chiếc xe chạy bằng diesel có thể đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt hơn."

    Trong cả hai nghiên cứu, các nhà khoa học Argonne đã làm việc với các phòng thí nghiệm quốc gia khác để xác định các loại nhiên liệu có triển vọng cho các loại động cơ khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã xem xét chi phí, tác động môi trường và tiềm năng mở rộng sang thị trường thương mại.

    Argonne là một phần của sáng kiến ​​Đồng Tối ưu hóa Nhiên liệu & Động cơ (Co-Optima) do Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo của DOE, Văn phòng Công nghệ Năng lượng Sinh học và Văn phòng Công nghệ Xe cộ đồng lãnh đạo. Tập đoàn của Co-Optima bao gồm chín phòng thí nghiệm quốc gia và hơn 20 đối tác đại học và công nghiệp. Tập đoàn nghiên cứu cách thức những đổi mới đồng thời về nhiên liệu và động cơ có thể tăng cường khả năng tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất của xe trong khi giảm lượng khí thải.

    Hawkins nói, các nhà khoa học và chuyên gia tại mọi phòng thí nghiệm DOE đều đóng một vai trò quan trọng trong mỗi giai đoạn của nghiên cứu. "Nghiên cứu này là một ví dụ thực sự tốt về cách các phòng thí nghiệm có thể làm việc cùng nhau để giúp DOE hoàn thành sứ mệnh của mình."

    Tìm đường dẫn nhiên liệu sinh học

    Nghiên cứu của Co-Optima được xây dựng dựa trên mục tiêu xác định và hiểu nguyên liệu sinh học hay nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ ​​sinh khối - vật liệu hữu cơ bao gồm thực vật, chất thải nông nghiệp và chất thải ướt. Nhiên liệu sinh học có thể được pha trộn với nhiên liệu thông thường để giảm lượng khí thải và cải thiện nhiên liệu cũng như hiệu suất của động cơ.

    Phối hợp với các chuyên gia nhiên liệu của Co-Optima, các nhà nghiên cứu đã sử dụng quy trình sàng lọc để phát triển danh sách nhiên liệu sinh học cho nghiên cứu của họ, Benavides cho biết.

    Các nhà khoa học Argonne đã phát triển danh sách nhiên liệu sinh học làm việc với các chuyên gia bao gồm quản lý nhóm kỹ thuật PNNL và thành viên Nhóm lãnh đạo Co-Optima Daniel Gaspar, nhà khoa học cấp cao của NREL Gina Fioroni, nhà nghiên cứu cấp cao của NREL Robert McCormick và Anthe George, quản lý cấp cao tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia của DOE ( SNL).

    "Chúng tôi đã làm việc với các chuyên gia khác để sử dụng các tiêu chí cụ thể để thu hẹp nhiều ứng cử viên nhiên liệu sinh học xuống một danh sách ngắn cho nghiên cứu của chúng tôi. Danh sách này được phát triển dựa trên các đặc tính yêu cầu và chế độ đốt cháy của động cơ", Benavides nói.

    Chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu sinh học là một quá trình phức tạp liên quan đến các biến số về nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi và loại nhiên liệu. Đặc biệt khó khăn trong việc tìm kiếm các con đường nhiên liệu sinh học đáp ứng các mục tiêu kinh tế, công nghệ và năng lượng.


    Tín chỉ: Hóa học & Kỹ thuật Bền vững ACS (2022). DOI: 10.1021 / acssuschemeng.2c00944
    Một nghiên cứu được đồng tác giả đầu tiên bởi Benavides. Nhóm đã đánh giá 12 con đường sản xuất nhiên liệu sinh học để tối ưu hóa động cơ đốt trong đa chế độ. Động cơ đa chế độ có thể mang lại hiệu quả cao hơn và tiết kiệm chi phí bằng cách sử dụng các phương pháp đánh lửa, đốt cháy và / hoặc chuẩn bị nhiên liệu khác nhau, tùy thuộc vào nhu cầu lái xe.

    Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nguyên liệu sinh khối tái tạo được tìm thấy trong các sản phẩm phụ lâm nghiệp như chất thải gỗ và phụ phẩm nông nghiệp như râu ngô. Họ đã sử dụng các công nghệ chuyển đổi bao gồm lên men, xúc tác dưới nhiệt độ và áp suất cao, hoặc kết hợp cả hai.

    Bartling cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng không chỉ có bảy loại nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất với chi phí cạnh tranh, mà bảy loại nhiên liệu này còn rất đa dạng về nguồn nguyên liệu được sử dụng và công nghệ chuyển đổi,” Bartling nói. "Điều này có nghĩa là các nhà máy chế biến sinh học có thể linh hoạt hơn trong việc lựa chọn địa điểm và cách thức để xây dựng cơ sở vật chất của họ. "

    Các nhà nghiên cứu của NREL và PNNL đã thực hiện đánh giá kinh tế - kỹ thuật về các lộ trình sản xuất nhiên liệu sinh học, phân tích chi phí và hiệu suất công nghệ.

    "Phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng nhiều loại nhiên liệu sinh học có khả năng cạnh tranh với giá nhiên liệu dầu mỏ hiện tại", Phillips nói.

    Các nhà nghiên cứu cũng phân tích tác động môi trường. Một phân tích vòng đời của các con đường sử dụng mô hình GREET (Khí nhà kính, Khí thải điều tiết và Năng lượng được sử dụng trong công nghệ) của Argonne cho thấy kết quả ấn tượng. Mười loại nhiên liệu sinh học có khả năng giảm phát thải khí nhà kính đến 60% so với xăng dầu. Danh sách bao gồm rượu, hỗn hợp furan và olefin.

    Nhiên liệu sinh học hứa hẹn cho động cơ diesel

    Nghiên cứu thứ hai do Bartling đồng tác giả đầu tiên. Các nhà nghiên cứu đã phân tích 25 con đường sản xuất nhiên liệu sinh học được tối ưu hóa để cải thiện quá trình đốt cháy cho động cơ đánh lửa nén có điều khiển hỗn hợp. Đây là một loại động cơ diesel chủ yếu được sử dụng để vận chuyển hàng hóa.


    Trừu tượng đồ họa. Tín chỉ: Hóa học & Kỹ thuật Bền vững ACS (2022). DOI: 10.1021 / acssuschemeng.2c00781
    Để phát triển các con đường sản xuất nhiên liệu sinh học, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các nguyên liệu từ thực vật như dăm gỗ hoặc xác ngô, đến dầu từ đậu tương và cây cốc, đến chất thải ướt và dầu mỡ tái chế. Họ đã sử dụng các công nghệ chuyển đổi bao gồm lên men, khí hóa và hóa lỏng thủy nhiệt.

    Damon Hartley, Trưởng nhóm Phân tích và Nghiên cứu Hoạt động của INL cho biết: “Nguồn tài nguyên sinh khối đa dạng sẵn có ở Hoa Kỳ có tiềm năng lớn để thay thế một phần nhiên liệu và hóa chất đến từ dầu mỏ. "Tuy nhiên, một trong những rào cản lớn nhất là sự thay đổi lớn về chất lượng trong nguyên liệu thô. Điều này có thể có tác động lớn đến cách nguyên liệu thực hiện trong quá trình chuyển đổi."

    Như với nghiên cứu đầu tiên, hầu hết các công nghệ đều hoạt động tốt. Hầu hết các loại nhiên liệu sinh học đều có giá thành cạnh tranh với giá khí đốt hiện tại.

    Về tác động môi trường, phát thải KNK đã giảm hơn 60% ở 12 trong số 25 con đường, theo phân tích vòng đời của GREET.

    Hawkins cho biết: “Chúng tôi đã đánh giá lượng phát thải KNK trong vòng đời cho mỗi đường dẫn động cơ đánh lửa nén được điều khiển bằng hỗn hợp.

    Tạo một cuốn sách chơi về nhiên liệu sinh học

    Benavides cho biết các nhà nghiên cứu không có ý định đưa ra một danh sách chính xác về nhiên liệu sinh học. Thay vào đó, các nghiên cứu đưa ra hướng dẫn cho các bên liên quan về việc lựa chọn con đường nhiên liệu sinh học đáp ứng tốt nhất nhu cầu của họ.

    Benavides nói: “Chúng tôi cung cấp cho các nhà nghiên cứu và hướng dẫn trong ngành về việc đánh giá nhiên liệu sinh học dựa trên một số biến số phức tạp. "Vòng đời và phân tích kinh tế - kỹ thuật rất quan trọng trong việc hướng dẫn các bên liên quan càng sớm càng tốt. Chúng tôi không thể nói cho các bên liên quan biết lựa chọn nào để thực hiện. Nhưng những công cụ này có thể hướng họ đi đúng hướng ngay từ đầu."

    Mặc dù nhiều con đường sử dụng nhiên liệu sinh học này có khả năng cạnh tranh về chi phí, nhưng vẫn còn quá sớm để chốt giá trong một thị trường khí biến động liên tục. Hawkins nói: “Thách thức là cung cấp giá cả cạnh tranh về chi phí trong dài hạn.

    Trong khi các con đường sản xuất nhiên liệu sinh học này nhắm vào ô tô và xe tải chạy bằng động cơ diesel, các nhà nghiên cứu của Argonne cũng đang nghiên cứu tiềm năng sử dụng những con đường này trong các lĩnh vực khó điện như ngành hàng không và hàng hải. Mục tiêu là đưa nhiên liệu sinh học ra thị trường trong nhiều ngành công nghiệp càng nhanh càng tốt.

    Hawkins cho biết: “DOE đang không ngừng nghiên cứu các giải pháp bền vững để khử cacbon trong lĩnh vực giao thông vận tải. "Chúng tôi sẽ tiếp tục mở rộng công việc quan trọng của Co-Optima."

    Cùng với Argonne, ORNL, NREL, PNNL, INL và SNL, các phòng thí nghiệm quốc gia DOE khác của Hoa Kỳ trong Sáng kiến ​​Co-Optima là các phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Lawrence Berkeley và Lawrence Livermore.

    Zalo
    Hotline