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如何开发一种低成本的航空燃油 美国能源部正尝试另辟蹊径

2020-11-17 14:41:58 中国航空报 洪艺瑞

中国航空报讯:如何开发一种低成本的航空燃油,这个难题已经困扰相关专家超过十年之久。如今,美国能源部正尝试另辟蹊径。
  早在2010年左右,美国国防部考虑到美国对进口石油的依赖,就发起了开发低成本航空燃油的研究计划。最近,一些航空公司也开始思考这个问题。一方面,喷气飞机可能会受到二氧化碳排放量的限制;另一方面,他们又无法在短期内开发出电力驱动的飞机。所以寻找更低碳的能源成为了他们为数不多的解决方法。
  寻找航空燃油替代品的一大难题是,该替代品必须储量丰富。目前,航空业每年要用17亿桶航空燃油。并且它还要价格低廉,因为燃油是航空业最主要的运营成本。
  美国能源部国家再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)的研究者们把目光投向了一种新型的、储备充足的原料:动物粪便、食物残渣以及包含人类排泄物的城市污水污泥。
  “我们一般都会把这些有机废物送去垃圾填埋地或者污水处理厂,但现在大家都开始意识到它们的潜在价值。”Derek Vardon表示。Vardon是国家再生能源实验室的高级研发工程师,他正与美国能源部的其他部门以及外部公司合作,共同研究这个项目。
  在垃圾填埋地以及牛胃里,都会出现生物质的腐烂现象,导致生物质被降解。Vardon及其合作伙伴的总体目标就是要杜绝腐烂现象。因为伴随着腐烂过程,往往会放出甲烷。甲烷是天然气的主要成分,也是一种主要的温室气体。部分研究者会在实验中用催化剂来改变生物质的代谢过程,使其终产物从甲烷变成一种强效的液体燃料。该燃料燃烧时,二氧化碳排放量只有传统航空燃油的一半左右。
  人类排泄物和食物残渣中都含有羧酸类物质,它们属于脂肪酸家族。我们可以通过改变催化过程,将它们的链状结构连接起来。Vardon解释道,这会产生一种新的液体燃料,它的能量是甲烷的七倍之多,这恰恰是航空业所需要的。“我们一直致力于开发应用类的新技术,并且我们拥有工业顾问,他们是这个项目的核心和灵魂。”Vardon在一个采访中表示。他提到美国西南航空公司和美国波音公司都参与到了该项目中。
  该项目将先尝试用食物残渣制备燃油,并逐渐放大工艺规模,开发一个能生产一千加仑(3785升)以上燃油的第一代设备。然后通过试飞,测试该燃油的可靠性。“这个项目未来必须要取得一些进展,因为航空旅行是人类生活不可或缺的一部分,而高能量密度的能源对飞行来说必不可少。”多年以来,研究者们都在尝试以酒精、糖类、棕榈果种子、大豆、玉米、木片和煤炭为原料,制备航空燃油。现在他们开始将人类排泄物和食物残渣作为主要原料。
  某些人可能会对此感到吃惊,但也有一些研究者得到启发,看到了从污水处理厂中可以获得的低碳和高碳资源的潜力。其中一员就是Jianping Yu,他是国家再生能源实验室另一个项目的主要研究者。该项目正在研究如何去除污水处理过程中产生的氮磷,后者是水体的主要污染物,而且很难去除。他的思路是在污水处理厂中种植藻类,并将这些污染物作为藻类的食物,然后再将藻类作为产品出售,用以制作商业化肥料。Yu补充道,这些藻类也可以转化为多聚物,用来制作多种材料,比如鞋子和背包。Yu对藻类的关注,源于他注意到一些藻类远比其它藻类消耗更多的磷——这些藻类会把磷储存在身体里备用。Yu把这称为“奢侈消费”,因为它们生存并不需要如此多的磷。
  然后,Yu了解到一家叫做Gross-Wen Technologies的科技股份有限公司。该公司由爱荷华州立大学(Iowa State University)的两个教授共同创立,他们开发了一种低成本的、用藻类从废水中回收氮磷的新技术,并申请了专利。
  基于此,Yu提出可以搜集并研发出藻类中的“超级消耗者”,这样就可以移除废水中多达50%的污染物。Yu指出,培育高消耗的藻类,也可以帮助污水处理厂降低空气中的二氧化碳浓度。他们唯一需要提供的原料就是阳光,而阳光也是免费的。
  更重要的是,这些藻类可以减少运行污水处理厂所需要的能量。“这是我们的终极目标。未来的环境需求是我们的主要驱动力。”Yu表示。毫无疑问,这个目标对项目中国家再生能源实验室的一些合作伙伴非常有吸引力。其中就包括了芝加哥大区污水管理局,该机构负责伊利诺伊州库克县污水和雨水的管理。目前管理局正在将升级版的藻类除氮磷技术纳入其系统中。“这是一件让人非常兴奋的事情。”管理局委员Debra Shore表示。

责任编辑:实习编辑