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星期日, 9月 19, 2021
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生物燃料之战:可再生柴油与生物柴油

联邦可再生燃料标准 (RFS-2) 和加州低碳燃料标准 (LCFS) 等燃料标准计划激励燃料生产商创新和创造新的可再生燃料,如生物柴油和可再生柴油。随着新的低碳柴油燃料和混合物变得越来越容易获得,了解它们之间的差异以及它们如何影响发动机性能非常重要。

柴油发动机基础知识

在进入可用的不同燃料选项之前,我们将讨论柴油发动机的基础知识以及它们与汽油发动机的区别。在美国,柴油发动机通常用于火车、轮船、驳船和重型卡车,以及公共巴士和农业、建筑和军事设备

柴油发动机是压燃式内燃机,这意味着它们使用压缩来产生足够的热量和压力,使喷射的燃料自燃。在大多数现代柴油发动机中,这是通过使用涡轮增压器压缩进入气缸的空气,在活塞到达其峰值(上止点)之前直接喷射燃料并依靠压缩来触发燃烧来实现的。

同时,汽油发动机是火花点火式内燃机,它使用火花塞点燃气缸中压缩的空气和燃料混合物。每个火花塞接收电脉冲的顺序和时间主要取决于连接所有发动机气缸活塞的曲轴和控制进气门和排气门的凸轮轴的旋转。

柴油发动机在所有内燃机中具有最高的热效率。柴油发动机通常将燃料中储存的约 40% 的能量转化为有用功,其热效率几乎是汽油发动机的两倍(平均约 20%)。这主要是由于柴油发动机的压缩比(范围从 14:1 到 25:1)高于汽油发动机(范围从 8:1 到 12:1)。

燃料、混合物和能源

尽管新的低碳燃料和混合燃料不断被创造出来,但柴油池中出现了两大类可再生燃料:生物柴油和可再生柴油。

生物柴油,有时也称为脂肪酸甲酯(或 FAME),通常是通过植物油或动物脂肪与甲醇或乙醇在酯交换过程中反应生成长链脂肪酸的单烷基酯来生产的。生物柴油含有氧原子,这使其在化学上与常规超低硫柴油 (ULSD) 不同。与汽油发动机中的乙醇混合限制一样,大多数柴油发动机制造商仅支持最高 B20 的柴油混合,更高的混合需要对燃料系统进行修改。

另一方面,可再生柴油使用与生物柴油相同的原料;然而,它经历了加氢处理、热转化或生物质到液体的生产过程。最终结果是一种可替代的可再生燃料,其化学性质与 ULSD 相同,可用作所有当前柴油发动机的直接替代品。

ULSD、生物柴油和可再生柴油之间的差异在下表中得到了最好的说明,但有一些特性值得讨论。

(来源:生物柴油和可再生(绿色)柴油有什么区别)

不幸的是,无论是可再生柴油还是生物柴油都无法与 ULSD 的能量密度相媲美。与生物柴油的下降 8.53% 相比,可再生柴油仅下降 4.65%。该值是通过将每单位质量的能量密度与体积密度和单位换算相乘来计算的。然而,能量密度并不是与能量和体积密度相关的唯一重要属性。与 ULSD 相比,生物柴油较高的体积密度也是导致其浊点较高、冷流性能较差以及润滑性改善的原因。相反,可再生柴油改善的浊点和冷流特性都可以归因于其较低的体积密度。

三种柴油燃料类型的不同化学性质显着影响由此产生的温室气体、氮氧化物和颗粒物排放。下面的图表比较了可再生能源集团 (REG) 提供的生物柴油和可再生柴油的专有混合物,该集团是生物柴油和可再生柴油的领先生产商。

(来源:REG Ultra Clean Diesel Fact Sheet)

随着混合在 ULSD 中的百分比的增加,生物柴油几乎可以减少所有排放类别,但近的研究证明,与 ULSD 相比,它会增加 NOx 排放。尽管与 ULSD 相比,REG Ultra Clean RD B50 和 RD B20 仍可减少 NOx 排放,但这是可再生柴油减少 NOx 排放能力的结果。

基于此信息,加利福尼亚州空气资源委员会 (CARB) 最近宣布了其替代柴油燃料计划的变更,该计划要求 CARB 批准超过 5% 的生物柴油混合物。为了减轻氮氧化物排放的这种增加,CARB 批准了柴油配方,其中至少含有 55% 或 75% 的可再生柴油,最多 20% 的生物柴油。

性能影响

虽然本文的大部分内容都集中在使用这三种柴油燃料背后的化学和工程,但公司已经看到了改用可再生燃料的经济效益。在根据每辆卡车 15,000 美元的额外燃油加热器成本驳回生物柴油混合物 B99 后,Titan Freight Systems选择了 R99 的可再生柴油混合物为其车队提供燃料。行驶 100 万英里后,他们发现 R99 提供了相同的燃油经济性,同时将生命周期排放量减少了 66%,节省了 1,217 吨碳。总的来说,Titan Freight Systems 每英里节省了大约 0.021 美元,其中每英里减少了 0.015 美元,因为减少了排气更换部件和清理柴油微粒过滤器 (DPF) 的停机时间,每英里节省了 0.005 美元,减少了 75% 的油成本,其余部分则是由于减少了数量所需的 DPF。

虽然每英里仅节省 0.021 美元似乎微不足道,但 2019 年有391 万辆 8 级卡车平均行驶了62,571 英里。如果他们一直使用可再生柴油,每辆卡车每年平均可节省 1,317.77 美元,这意味着如果所有 8 类卡车都使用可再生柴油,每年可节省 51.5 亿美元。在减排方面,如果所有 8 类卡车都使用 R99,每年可减少超过 2.97 亿公吨的二氧化碳 (CO 2 )。就背景而言,2018 年,佛罗里达州的CO 2排放量在全国排名第三,排放了 2.425 亿公吨的 CO 2

尽管可再生柴油因其可替代 ULSD 和有利的减排而迅速普及,但一些混合器已开始混合这两种可再生燃料。REG 创造了生物柴油和可再生柴油的混合物,创造了“ REG 超清洁柴油”,以捕捉每种柴油的最佳属性。Ultra Clean Diesel 可以全面减少排放,同时改善发动机启动、润滑、可靠性、发动机寿命和更完全的燃烧。

期待

随着美国排放标准的不断收紧,可再生燃料将在我国能源转型中发挥至关重要的作用。利用现有的炼油和分销基础设施为几乎不需要改装的汽车提供燃料,可再生和生物柴油已经克服了与电动汽车相关的几个障碍。这些可再生燃料可以比电动汽车更能减少生命周期的温室气体排放,因为电动汽车的电力来自天然气,在生命周期的基础上产生的温室气体排放量比 REG B100高 195%。

联邦和州政府已经意识到生物柴油和可再生柴油的潜在好处,并正在鼓励两者的生产。联邦搅拌机税收抵免 (BTC)每加仑生物质柴油 1.00 美元在 2019 年底续签,新的众议院法案希望将该计划延长至 2025 年。 RFS-2 计划为每加仑柴油提供 1.5 RIN 抵免生产的基于生物质的柴油,包括美国环境保护署 (EPA) 定义的生物柴油和可再生柴油。可再生柴油占 1.7 RIN,而生物柴油占 1.5 RIN。尽管 RIN 价格是基于市场的,但它们在创下历史新高后最近成为头条新闻。

LCFS 计划还提供信用,目前在加利福尼亚每个信用价值约177 美元,基于与基线碳强度 (CI) 相比去除的总碳吨数。俄勒冈州和不列颠哥伦比亚省等更多州效仿加利福尼亚州制定了 LCFS,华盛顿、纽约和明尼苏达州等州的更多发展正在进行中。

虽然生物柴油和可再生柴油的产能都在增加,但要取代超低硫柴油还有很长的路要走。2019 年,美国消耗了约472 亿加仑的柴油,而可再生柴油的年产能为 6 亿加仑,生物柴油的年产能为 25.14 亿加仑。生物柴油目前的产能明显领先;然而,美国能源信息署 (EIA) 最近预测与生物柴油相当低的产能增长预测相比,2024 年可再生柴油的产能将增加到每年 51 亿加仑。

(资料来源:美国可再生柴油产能可能因已宣布和正在开发的项目而增加)

可再生柴油等替代柴油已被证明是 ULSD 的可持续、可再生替代品。发动机性能的提高、排放的减少和生产能力的提高都是迈向更美好、更清洁未来的一步。然而,任何新的变化都会带来新的挑战。与经验丰富的能源顾问合作可以消除整个过渡过程中的不确定性,并确保您的组织能够克服这些挑战。了解并利用所有可用的激励措施是亏本经营和成为行业领导者之间的区别。

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