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汽车燃料黑暗料理:不仅能"喝酒"还能"喝地沟油"

2018-08-02 07:36:02 来源: 中国汽车报(北京)
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编前:能源是人类赖以生存和发展的物质基础,随着全球经济与社会发展和人口持续增长,未来能源需求总量仍将保持保持高速增长态势。石油被誉为现代工业的“血液”,自20世纪60年代以来一直是全球第一大消费能源。综合众多国际机构预测结果,本世纪上半叶,石油仍将是全球第一大消费能源。石油消费途径主要有两种,约2/3用于交通运输燃料提供动力,剩下1/3主要作为工业生产的原料。

汽车燃料黑暗料理:不仅能喝酒还能喝地沟油

鉴于石油是不可再生能源,在交通运输领域,各国政府都在积极推动汽车业朝着电动化转型。与此同时,汽车企业、化工巨头、能源公司等也在孜孜不倦地探索、开发新燃料。这些开发研究有些已经进入生产应用阶段,有些业前景巨大,有些可能难以走出实验室,但无论怎么样,各种脑洞大开的研究对于我们开发利用资源提供了很多借鉴和思考。

? 变废为宝

非食物残渣

继一系列发动机测试完成和异丙烯生物生产工艺取得重要进展后,近日,奥迪与法国全球生物能源公司签署了一份新协议,重点关注各种非食物残渣原料(如麦秸和木屑)转化为可再生汽油的政策监管,以及与第三方联手推动商业化应用。协议中还包括为奥迪提供一些可再生汽油,以进行进一步的发动机测试。

作为可再生烃类生物燃料的其中一类,可再生汽油也被称为“生物汽油”或“绿色汽油”,是生物合成的运输燃料,适用于火花点火式发动机。奥迪和法国全球生物能源公司研究的可再生汽油实际上就是异辛烷,通过两步制成。第一步,法国全球生物能源公司在示范工厂中生产气态异丁烯(C4H8);第二步,弗劳恩霍夫化学生物技术处理中心利用氢气将气态异丁烯转化为异辛烷(C8H18)。异辛烷是一种添加剂,目前用于改善汽油品质,也可以作为一种独立的燃料。该燃料不含硫和苯,燃烧时污染物含量较低。

“我们的可再生汽油考虑到了全球环境效益,减少了二氧化碳排放,同时也减少了颗粒物的形成。”法国全球生物能源公司CEO马克·戴乐谷表示。据他介绍,这种可再生汽油能以高比例(超过30%)混合到化石汽油中,混合燃料适用于任何汽油发动机,无需改装,其大规模商业化也不需要任何特定的存储和分销设施。

锯末

锯末本来是木材厂不太受欢迎的副产品,常常用作工业锅炉的燃料、塑合板、木浆、家庭用火、护根土,或用于吸收油污,但欧洲科学家已经为锯末找到了一条新出路。近日,比利时鲁汶大学表面化学与催化中心的研究团队通过一种新的化学反应,将锯末中的纤维素转变为烃链,并称之为“绿色碳氢化合物”,这种材料再进一步就可以转化为汽油。

“这是一种新的生物燃料炼制方式。我们在实验室建了一个化学反应器,把从木材厂收集的锯末放入反应器中,加入催化剂,用于加速化学反应。在合适的温度和压力下,半天时间木屑中的纤维素就转化为饱和烃链或烷烃。”研究人员说,“这种碳氢化合物能够用作绿色添加剂,取代传统汽油提炼过程中的添加剂。还能够用于生产乙烯、丙烯和苯,这些是构成塑料、橡胶、尼龙等产品的基本材料。”

研究人员认为,从经济学角度来说,纤维素开发潜力巨大,它“无处不在,且本质上是一种植物废料,不会像第一代能源作物(例如用于生产生物乙醇的玉米、甘蔗等)那样引发粮食与燃料之争。另外,纤维素能产生含有5到6个碳氢原子的烃链。我们正面临碳氢化合物的短缺问题,因为从原油或页岩中提取这些烃链越来越困难、越来越贵,而衍生自纤维素的烃链可以及时解决这个问题。”

污水

污水厌氧处理技术因其高效能、低能耗等特点在污水处理工程上受到广泛关注。在厌氧处理过程中,污水中的有机物被厌氧细菌分解、代谢、消化,使得污水中的有机物含量大幅减少,同时产生甲烷、二氧化碳、硫化氢、氨、氢、氧等气态物质。这些物质引起了一些企业和政府的兴趣。

大众汽车集团旗下的西雅特公司与西班牙污水处理公司Aqualia联手开发了一个项目,从废水中提取出甲烷,然后将它用于压缩天然气汽车,能使这些汽车的二氧化碳排放量减少80%。西雅特表示,一座中等规模的工厂每天可以处理大约10000m3的废水,进而可以生成1000m3的甲烷,足够供150辆压缩天然气汽车每天行驶100公里。

去年5月,美国波特兰市批准了一项新能源项目,从城市污水中提取甲烷并转化成天然气。波特兰环境服务机构表示,该项目能产生相当于100万加仑柴油的可再生天然气,这意味着150多辆垃圾卡车将能依靠这些能源运行整整一年时间。

丰田也把目光转向了污水。众所周知,丰田一直致力于氢燃料电池汽车的研发,需要大量的氢。在丰田、三菱、福冈大学等企业和机构的帮助下,日本福冈市政府在该市的中央污水处理厂投入1200万美元,做成了一套转化装置,专门从污水中提取氢气。首先让微生物分解污水中的废料,产生甲烷、二氧化碳等,除去二氧化碳,让甲烷与水蒸气发生化学反应,产生氢气和二氧化碳,之后再除去二氧化碳就得到氢。

? 技术革新

水藻

由于采用玉米、大豆等提炼生物柴油可能会带来粮食危机,新的生物柴油来源成为热门课题,方法之一就是利用藻类制造生物柴油。国内外正在推进藻类燃料的研究。从1970年起,就已经有人研究用藻类产生的脂肪制造生物燃料。但在实验室的人工繁殖环境中,生物学家一直无法维持藻类快速生长的同时保持藻类体内的脂肪水平,以提炼足够的生物燃料。去年6月,埃克森美孚石油公司与美国生物科技基因组公司共同宣布,在不改变生长时间的情况下,通过修改海洋富油微拟球藻的基因,可以将这类藻类的脂肪含量较野生同类提升一倍。

今年6月,日本生物新创企业Euglena宣布,与马自达等携手启动试验,把源自眼虫藻的燃料用于乘用车。该公司把从眼虫藻中提取出的油与在广岛县回收的天妇罗用油等混合,制成生物柴油。Euglena还曾与五十铃合作,向巴士提供源自眼虫藻的燃料。

不过,据称藻类燃料的成本是石油燃料的约10倍。“要实现藻类燃料的商用化,市场规模巨大的乘用车的使用很重要。”Euglena董事永田晓彦表示。另外,藻类虽然是理想的生物燃料,但若是在同一段时间有大量的藻类生长,可能引发赤潮。这些都是需要进一步研究的问题。

二氧化碳+水=e柴油

除了汽油外,奥迪在合成柴油领域也有研究,其“e柴油”项目得到了德国联邦教育与研究部的支持。这种液体燃料以空气和水为原料,其制作分为三个步骤。首先,研究人员在800℃以上高温的条件下加热水,形成水蒸汽,而后通过高温电解使之分解为氢气和氧气。这一过程使用的能源是太阳能或风能等绿色能源。其次,在高温高压的条件下,使氢气和二氧化碳混合,生成一种名为“blue crude”的燃料。最后提炼这种燃料,方法类似于从化石燃料中提炼汽油。

据悉,“e柴油”不含硫或芳香烃碳氢化合物,众所周知,后者存在于石油中,会对环境带来额外污染。奥迪称这种新型燃料为“未来燃料”,认为其可以让汽车以接近碳中和的方式行驶。这意味着使用这种燃料不会给大气增加碳排放,对环境更加友好。奥迪官方表示:“通过研发‘e柴油’,我们得到了一种以二氧化碳为基础的燃料,让不给环境带来重大污染的长距离驾驶成为可能。这种‘未来燃料’,不仅为德国汽车工业,也为其他国家和其他行业提供了一个新机遇。”

实验结果表明,“e柴油”可以单独使用,也可以与化石燃料混合使用。奥迪已与德国化学反应堆技术公司Ineratec和德国电力生产商及供应商Energiedienst结成合作伙伴关系。去年年底,奥迪宣布,计划在瑞士的劳芬堡建设一家“e柴油”生产工厂,建成后每年可生产10.57万加仑燃料。

? 『重口味』

地沟油

说起“地沟油”,大家可能都会感觉有毒又极不卫生,但在生物燃料领域,地沟油也有了“发光发热”的机会。今年5月,上海出台了《上海市支持餐厨废弃油脂制生物柴油推广应用暂行管理办法》,支持餐厨废弃油脂制B5生物柴油。

据了解,这种生物柴油的制作工艺已相当完备。它使用餐饮行业及下水管道废弃的油料,经过预处理、酯化、酯交换反应、蒸馏精制等工艺流程后,与普通柴油按照5:95的比例参配而成。目前B5生物柴油主要供公交车、环卫车、货运车等使用。与传统柴油相比,B5生物柴油具有环保性能好、原料来源广泛、可再生等特点。

地沟油大展身手的地方可不仅仅是汽车。去年11月,中国海南航空一架航班使用“地沟油”提炼而成的燃料,由北京越洋飞抵美国,海航也成为我国首家使用生物航空煤油进行跨洋载客飞行的航空公司。此次飞行使用的航空煤油由中国石化下属镇海炼化公司生产,以餐饮废油为原料,并以15:85的比例与常规航空煤油调和而成,已获得中国民用航空总局批准,可在保证飞行安全和效率的前提下有效减少碳排放。

不过,业内人士也指出,类似燃料的推广仍存在困难,相对高昂的生产成本,回收、销售端的“小作坊”式运作,致“地沟油”燃料全面使用尚需时日。

大肠杆菌

英国帝国理工学院的科学家有一个很有趣的想法,即用经过基因改造的大肠杆菌来制造丙烷。研究人员使用大肠杆菌作为宿主生物体,通过生物酶阻断大肠杆菌中脂肪酸进入生物膜的生物过程,转而引导脂肪酸进入不同的生物途径,最终使大肠杆菌产生可再生丙烷。

“虽然产生的燃料较少,但可直接用于发动机,效果立竿见影。我们已经证明利用细菌制造可再生燃料是可行的。此前这些燃料只能从化石燃料中提取。”该项目的研究人员帕特里克·琼斯教授表示,“这项研究打开了未来可再生燃料可持续生产的可能性,可以用来取代汽油、柴油、天然气等化石燃料。化石燃料有限,而随着人口增长,我们必须寻找新的方法,来满足不断增长的能源需求。”

丙烷是一种清洁燃料,有着广泛的全球市场。目前,丙烷主要是从天然气加工和原油精炼过程中提取的,但化石燃料是一种不可再生能源。研究人员称,利用细菌方法生成的丙烷,具备与传统丙烷完全相同的效能。开发低成本、可持续的可再生能源是一项重大挑战,该研究还处于早期阶段,大肠杆菌产生丙烷的效率较低,研究人员需要改进合成过程。

? 『有味道』

咖啡渣

统计数据显示,英国人每天会喝掉5000多万杯咖啡,仅仅在伦敦每天就会产生20万吨咖啡废料。对此,有人动起了脑筋。2013年,英国主持人斯坦斯菲尔德和朋友改装了一辆二手车,在汽车后备厢内安装原料桶和加热装置,咖啡渣经过加热产生可燃气体,气体由架在车顶的管道引至发动机,为汽车提供动力。2014年,英国工程师马丁·贝根制造出一辆以咖啡渣为动力的汽车,时速能达到107公里。

2017年底,英国初创公司Bio-bean与石油巨头壳牌、Argent能源公司合作推出一个项目,为伦敦的公交车提供一种“咖啡油”。Bio-bean从咖啡店、餐厅或者咖啡生产厂商手中回收咖啡废渣,对其进行干燥处理,从废渣中提炼出原油,再将原油和柴油混合,最终得到B20生物混合柴油。这种燃料可直接用于柴油公交车。一般情况下,一家咖啡店每天大约会产生10公斤咖啡渣,从这些咖啡渣中可以提炼两升生物柴油。根据Bio-bean的声明,他们已经利用咖啡渣为伦敦交通部门生产了6000升生物柴油,这足够一辆公交车使用一年。

咖啡渣的高热量、内含化合物等特点,令其成为生产清洁燃料的理想原料,也可避免咖啡渣掩埋或直接焚烧造成的环境污染。用咖啡渣生产生物柴油还有一个好处,即使用这种燃料的汽车尾气中会含有咖啡的香味,也许某天走在英国的大街上,空气中飘着的咖啡香来自于公交车而不是咖啡店。

威士忌

在苏格兰,到处可见身着彩色格子呢彩裙的男士,手捧金黄剔透的威士忌酒,这构成了世人眼中的苏格兰形象。威士忌是苏格兰的国家饮料,最能代表苏格兰的气息之一无疑就是威士忌的芬芳了。Whisky一词来源于古苏格兰语,意为“生命之水”。威士忌在英国乃至欧洲国家非常流行。不过,威士忌生产过程中,威士忌酒大约只占到原料总量的7%,剩余的都是废渣。英国每年在生产威士忌的过程中,能产出几十万吨粮食废渣和数十亿升的废液。

苏格兰爱丁堡的凯尔特可再生能源公司通过两年的研究,终于从威士忌的废渣废液中提取出了生物燃料——丁醇。去年7月,该公司将生物丁醇以15%的比例混入汽油,成功进行了首次车辆公开试驾,发动机无需任何改装。“这是全球首例使用威士忌残留物提炼的生物燃料来驱动汽车。”凯尔特可再生能源公司创始人兼总裁马丁·唐尼表示,“苏格兰不仅以威士忌酒而闻名,现在也成为可再生能源的生产基地。”

目前,丁醇的提取过程还是较为复杂,尚未达到工业化和规模化水平。不过,唐尼表示,希望未来丁醇能作为一种燃油添加剂,减少二氧化碳排放量。凯尔特可再生能源公司已经与苏格兰珀思郡的Tullibardine酒厂达成合作,后者在苏格兰就有超过100家威士忌酒厂。唐尼透露,Tullibardine酒厂每年要花30万英镑来处理威士忌废料,双方合作后,该公司可从酒厂获得廉价或免费的原材料。

粪便

科学家也没有放弃将其他垃圾回收再利用,包括粪便排泄物。去年年底,丰田对外公布了一个名为Tri-Gen的项目,宣布要在美国加州长滩港建立一座制氢及燃料电池发电厂。至于工厂的原料,则是对动物粪便的搜集、处理和再利用,加州中央山谷农牧场的奶牛们功不可没。通过此项目,不仅可以利用奶牛粪便释放的甲烷来大规模地制氢,还可以帮助加州政府解决成堆的动物粪便难题。

事实上,早在2014年,英国就推出了“粪便公交”。别被这个有味道的名字吓到,其实,就是公交车的燃料是利用人类粪便或废弃食品等产生的甲烷气体制成的。GENeco能源公司对污水道里的人体排泄物及废弃食物处理后,制造出甲烷,而后用于公交车燃料。这种公交车由英国巴斯公交公司提供,主要载送乘客往返巴斯及布里斯托机场,一共有40个座位,单缸燃气可以支撑车子跑完300公里,这背后可能需要5个人一年产生的粪便来做原料。

日本东陶公司也有类似的设想,研发了一种马桶摩托车。这种车是普通三轮摩托车改造而来,外形很有趣,车座是马桶的形状,车后面还顶着一卷卫生纸。这种车的动力来源不是汽油,而是来自于粪便以及生活废水,也就是大家熟悉的沼气。当然,马桶造型只是一个噱头,毕竟东陶是主营卫浴的一家公司。

小结:与不可再生的汽油、柴油,以及可再生但消耗玉米、甘蔗等能源作物的生物乙醇相比,上述研究显得有些“不走寻常路”,但随着全球人口膨胀和能源日益减少,如何实现现有资源的有效利用以及废弃资源的再利用,是我们都要思考的问题,也是这些研究的意义所在。

鲍彬斌 本文来源:中国汽车报 责任编辑:鲍彬斌_NA5364
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