DOE: 10 Biokraftstoffe könnten Treibhausgasemissionen um 60 % senken

2022-12-22

Laut zwei neuen Studien werden Biokraftstoffe zu einer kostengünstigen, klimafreundlichen Lösung zur Reduzierung der CO2-Emissionen von Pkw und Lkw.

Das Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) führte die Forschung in Zusammenarbeit mit dem National Renewable Energy Laboratory (NREL), dem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und dem Idaho National Laboratory (INL) des DOE durch. Die Ergebnisse zeigen, dass Biokraftstoffe in Kombination mit einem fortschrittlichen Motordesign die Treibhausgasemissionen um etwa 60 % reduzieren und gleichzeitig die Kraftstoffeffizienz verbessern oder die Abgasemissionen reduzieren können.

Biokraftstoffe haben klare Vorteile gegenüber fossilem Benzin. Aber auch die Energieeffizienz des Motors selbst ist entscheidend. Durch die Entwicklung kohlenstoffarmer Kraftstoffe und Motoren, die zusammenarbeiten, können die Energieeffizienz und die Fahrzeugleistung maximiert werden.

„Wir befinden uns an der Schnittstelle neuer Innovationen bei Motoren und Biokraftstoffen“, sagte Troy Hawkins, Kraftstoff- und Produktgruppenmanager bei Argonne. „Unser Ziel ist die Entwicklung neuer Biokraftstoffe, die mit herkömmlichen Kraftstoffen gemischt werden können, um die Motorleistung zu verbessern. Das bedeutet, dass ein benzinbetriebener Pkw oder Lkw mit der gleichen Kraftstoffmenge weiter fahren kann. Oder ein Dieselauto kann strengere Abgasnormen erfüllen.“

In beiden Studien arbeiteten Argonne-Wissenschaftler mit anderen nationalen Labors zusammen, um vielversprechende Kraftstoffe für verschiedene Motortypen zu identifizieren. Die Forscher berücksichtigten Kosten, Umweltauswirkungen und Potenzial für die Expansion in kommerzielle Märkte.

Die Forschung wurde durch das Co-Optimization of Fuels and Engines (Co-Optima)-Programm unterstützt, das gemeinsam vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, dem Office of Bioenergy Technologies und dem Office of Automotive Technologies des US-Energieministeriums geleitet wird.

Argonne ist Teil des Co-Optimas-Konsortiums aus neun nationalen Laboratorien und mehr als 20 Universitäts- und Industriepartnern. Das Konsortium untersucht, wie Innovationen bei Kraftstoffen und Motoren gleichzeitig durchgeführt werden können, um den Kraftstoffverbrauch und die Fahrzeugleistung zu verbessern und gleichzeitig die Emissionen zu reduzieren.

Wege für Biokraftstoffe finden

Die Forschung im Co-Optimas-Projekt baut auf dem Ziel auf, Biokraftstoffe zu identifizieren und zu verstehen. Biokraftstoffe werden aus dem organischen Material der Biomasse hergestellt, darunter Pflanzen, landwirtschaftliche Abfälle und Nassabfälle. Biokraftstoffe kann mit herkömmlichen Kraftstoffen gemischt werden, um Emissionen zu reduzieren und die Kraftstoff- und Motorleistung zu verbessern.

In Zusammenarbeit mit Kraftstoffexperten von Co-Optima entwickelten die Forscher mithilfe eines Screening-Prozesses eine Liste von Biokraftstoffen für ihre Studie, sagte Benavid.

„Wir haben mit anderen Experten zusammengearbeitet und anhand spezifischer Kriterien die vielen einzugrenzen Biotreibstoff „Wir werden Kandidaten für unsere Studie in die engere Wahl ziehen“, sagte Benavid, „basierend auf der gewünschten Leistung und den Motorverbrennungsmustern.“ Die Umwandlung von Biomasse in Biokraftstoffe ist ein komplexer Prozess, der Variablen in Bezug auf Rohstoffe, Umwandlungstechnologie und Kraftstoffart umfasst. Eine besondere Herausforderung besteht darin, Wege für Biokraftstoffe zu finden, die gleichzeitig wirtschaftliche, technologische und energetische Ziele erfüllen.“

Benavid ist Co-Erstautor einer der Studien. Das Team bewertete 12 Produktionswege für Biokraftstoffe, um Multimode-Verbrennungsmotoren zu optimieren. Multimode-Verbrennungsmotoren können eine höhere Effizienz und Kosteneinsparungen erzielen, indem sie je nach Fahrbedarf unterschiedliche Methoden der Zündung, Verbrennung und Kraftstoffaufbereitung nutzen. Die Forscher verwendeten erneuerbare Biomasse-Rohstoffe, die aus land- und forstwirtschaftlichen Nebenprodukten wie Holzabfällen und landwirtschaftlichen Nebenprodukten wie Maisstroh gewonnen wurden. Zu den von ihnen verwendeten Umwandlungstechniken gehörten Fermentation, HPHT-Katalyse oder eine Kombination aus beidem.

„Wir haben festgestellt, dass die sieben Biokraftstoffe nicht nur kostenmäßig wettbewerbsfähig in der Herstellung waren, sondern dass sich die sieben Biokraftstoffe auch in den eingesetzten Rohstoffen und Umwandlungstechnologien unterschieden“, sagte Buterin. Das bedeutet, dass Bioraffinerien flexibler entscheiden können, wo und wie sie ihre Anlagen bauen.“ Forscher von NREL und PNNL führten eine technisch-ökonomische Bewertung der Produktionswege für Biokraftstoffe durch und analysierten Kosten und technische Leistung. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass viele Biokraftstoffe mit den aktuellen konkurrieren können.“ „Erdöltreibstoffkosten“, sagte Phillips.

Die Forscher analysierten auch die Auswirkungen auf die Umwelt. Eine Lebenszyklusanalyse der Pfade anhand des Argonnes GREET-Modells (Greenhouse Gases, Regulated Emissions and Energy Used in Technology) zeigt beeindruckende Ergebnisse. Zehn Biokraftstoffe haben das Potenzial, die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu fossilem Benzin um 60 % zu reduzieren. Die Liste umfasst Alkohole, Furanmischungen und Alkene.

Biokraftstoffaussichten für Dieselmotoren

Die zweite Studie wurde von Butlin mitverfasst. Die Forscher analysierten 25 optimierte Wege zur Herstellung von Biokraftstoffen, um die Verbrennung in hybridgesteuerten Selbstzündungsmotoren zu verbessern. Dabei handelt es sich um einen Dieselmotor, der hauptsächlich für den Gütertransport eingesetzt wird. Um Wege zur Biokraftstoffproduktion zu entwickeln, verwendeten die Forscher eine Vielzahl von Rohstoffen, die von Pflanzenmaterial wie Holzspänen oder Maisstroh über Öle aus Sojabohnen und Papayas bis hin zu Nassabfällen und recyceltem Fett reichten. Zu den von ihnen verwendeten Umwandlungstechnologien gehören Fermentation, Vergasung und hydrothermale Verflüssigung.

Damon Hartley, Leiter der Operations Research and Analysis Group des INL, sagte, dass die verschiedenen verfügbaren Biomasseressourcen ein enormes Potenzial hätten, einige aus Erdöl gewonnene Kraftstoffe und Chemikalien zu ersetzen. Eine der größten Hürden ist jedoch die schwankende Qualität der Rohstoffe. Dies hat großen Einfluss darauf, wie sich das Material bei Übergängen verhält. Wie in der ersten Studie zeigten die meisten Techniken gute Ergebnisse. Die Kosten für die meisten Biokraftstoffe sind mit den aktuellen Erdgaspreisen konkurrenzfähig.

Im Hinblick auf die Umweltauswirkungen haben laut der GREET-Lebenszyklusanalyse zwölf der 25 Pfade die Treibhausgasemissionen um mehr als 60 % reduziert. „Wir haben die Treibhausgasemissionen über den Lebenszyklus jedes Hybridmotors mit kontrollierter Kompressionszündung bewertet“, sagte Hawkins. vorgelagerte Emissionen.“

Schaffung von Biokraftstoffpfaden

Die Forscher planen nicht, eine endgültige Liste von Biokraftstoffen zu erstellen, sagte Benavid. Stattdessen bieten diese Studien den Interessengruppen Orientierung bei der Wahl des Biokraftstoffpfads, der ihren Bedürfnissen am besten entspricht. „Wir bieten Forschern und Industrie Leitlinien für die Bewertung von Biokraftstoffen auf der Grundlage vieler komplexer Variablen“, sagte er. Lebenszyklus- und technisch-ökonomische Analysen sind wichtig, um Interessengruppen frühzeitig anzuleiten. Wir können den Stakeholdern nicht vorschreiben, welche Entscheidungen sie treffen sollen. Aber diese Tools können ihnen von Anfang an die richtige Richtung weisen. Während viele Biokraftstoffpfade preislich wettbewerbsfähig sein mögen, ist es noch zu früh, auf einem volatilen Erdgasmarkt Preise festzulegen.

Langfristig, so Hawkins, bestehe die Herausforderung darin, wettbewerbsfähige Preise anzubieten. Während diese Produktionswege für Biokraftstoffe auf Personenkraftwagen und Diesel-Lkw abzielen, untersuchen Argonne-Forscher auch ihr Potenzial für den Einsatz in schwer zu elektrifizierenden Industrien wie der Luftfahrt und der Schifffahrt. Ziel ist es, Biokraftstoffe schnellstmöglich branchenübergreifend auf den Markt zu bringen.

„Das US-Energieministerium (DOE) hat daran gearbeitet, nachhaltige Dekarbonisierungslösungen für den Transportsektor zu entwickeln“, sagte Hawkins, wobei Biokraftstoffe einen großen Anteil daran haben. „Wir werden die wichtige Arbeit von Co-Optimas weiter ausbauen.“

Über Kingwood

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