美能源部发布《实现低成本生物燃料综合战略报告》

实现低成本生物燃料的综合战略报告

美国正致力于制定生产生物衍生燃料和产品的成本效益战略,美国能源部生物能源技术办公室(BETO)发布了《实现低成本生物燃料的综合战略》报告,总结了分析结果,以确定更廉价的生物燃料所需的综合策略。

报告提出降低生物燃料成本的五个关键战略,以实现2美元/加仑汽油当量的成本目标。主要战略包括:开发高效生物炼油;改进工艺设计:利用现有基础设施;降低原料成本;开发高价值产品。同时,报告针对上述五方面提出了关键的研发需求。报告要点如下:

一、实现低成本生物燃料的关键战略

1、开发原子效率高的生物炼油厂以最大化原料利用率。利用生物炼油厂原料的所有成分并采用有效的转化策略,提高各种先进燃料和产品生产策略的经济可行性。

2、强化工艺设计以降低资本和运营成本。通过改进工艺集成或新颖的加工路线来降低设施资本成本和运营成本,以提高盈利能力。

3、利用现有基础设施。与其他加工设施集成并重复利用设备,以降低资本和运营成本。同时,利用石油精炼行业可用的设备和加工基础设施,降低反应器、催化剂和相关工艺升级的支出。

4、降低原料成本。利用废物和低品质原料以大大降低原料成本。其他降低原料成本的策略包括:原料生产和利用多样化;使用综合园林管理策略;减少转换材料在收获、收集和储存期间的损失;增强供应系统集约化。

5、开发具有短期市场影响的高价值生物质产品。开发高价值生物衍生燃料和化学品可以加速从研发到市场的过渡。主要策略包括:研究具有目标性能的燃料以提高效率并降低总燃料消耗成本;利用生物质的优势,例如含氧燃料和产品;开发可与当前燃料一起使用并增强石油基掺混油性能的产品;开发航空和海运燃料。

二、关键领域研发需求

1、提高原子效率

1)木质素改性用于生物化学转化过程:开发木质素降解和改性的综合策略,以最大限度提高产品生产的碳利用率。开发灵活的有机体可将各种降解产物改性为最终产品。集成降解与改性过程以提高产率、降低成本。

2)木质素改性用于生物化学转化过程:探索木质素改性的替代策略,包括化学催化转化为燃料和化学品。考虑多种木质素改性策略以及一系列潜在产品。开发针对特定产品的低成本耐用催化剂。开发低成本转化方法,将残余固体分馏生产多种最终产品。

3)对来自不同过程废物流的沼气进行提纯净化:将废物碳转化为增值副产品和燃料。了解废物沼气和其他不可冷凝碳流的生物改性的成分和净化要求。通过代谢工程提高微生物稳定性并提高产量。开发反应器输运模型,以提高基质的有效质量传递并优化用于生物转化的反应器设计。

4)不同工艺的催化升级:提高增值副产品的催化剂选择性。了解选择性和相关分离工艺的限制,以满足所需副产品的纯度要求。对于水相碳的热催化或生物提质,开发能够耐受并转化一系列抑制性有机物(尤其是在较高浓度下)的催化剂。将实验研究与建模相结合,以提高对反应机理、催化剂设计和工艺限制的全面理解,从而提高产量。

2、强化工艺设计

1)生物化学转化过程的生物质降解:优化生物质降解过程。利用过程仿真、基础研究和计算模型来确定新型生物质降解和水解产物调节操作的最佳条件。探索在碳水化合物和木质素加工的集成过程中最大化与下游操作的协同作用。

2)生物化学转化过程中高效转化和产品回收的协同作用:提高生物化学衍生中间体转化、分离和改性的产量并最小化成本。寻求加快生物代谢工程的策略,以实现糖/木质素的生物转化,以及改进催化剂和反应条件,以高选择性、高产量快速将中间体转化为最终产品。降低中间体和最终产品的分离和净化成本。

3)混合水热液化转化过程的高效综合方法:最大限度地提高不同最终产品的碳利用率。通过提高水相碳的回收率来提高整体水热液化产量。继续开发分离策略,以改善油品质量,从而降低加氢处理的成本和/或实现水热液化生产的中间体的炼油厂整合。确定潜在的副产品开发机会。

4)热化学转化过程的原料多样化:设计利用低成本/低品质原料的策略。了解高矿物质含量的低成本原料对转化率和产量的影响,并在催化快速热解过程中设计有效的缓解策略。对不同原料进行系统实验分析,以了解成分对催化快速热解的影响。探索通过对操作单元进行组合来强化过程。使用更小型模块化系统生产低成本催化快速热解中间体,并使用集中式设施和/或通过炼油厂整合来降低资本成本。

5)热化学转化过程中催化剂的功能和稳定性:通过基础研究和开发提高催化剂性能。开发催化剂以提高气流床和固定床系统中催化快速热解油的产量和品质。增加在线时间,减少再生时间,并减少催化剂成本和固定床系统中的贵金属负载。通过反应器建模以有效利用催化剂并扩大工艺规模。整合计算模型和实验,以开发功能强大的催化剂,最大限度地提高产量,并改善油品质量。

6)热化学转化过程的副产品开发:开发高质量副产品。从催化快速热解油中开发副产品,如酚醛树脂。利用催化快速热解油中的含氧化合物开发由于成本和工艺限制而未能开发或商业化的其他产品。通过生物和催化途径探索合成气中的其他副产物。

(7)在所有转换过程中共用和利用现有工业基础设施:调查通过工业共生降低资本成本和运营成本的机会。最大限度地利用现有工业设施,包括炼油设施、废水处理和锅炉系统。此外,生物炼油厂可按符合工业共生的方式布局,以便利用附近的现有设施。

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3、整合炼油设施

1)开发适用于生物质衍生中间体和石油的新型催化剂。设计催化剂以提高生物质衍生中间体的产量和燃料品质,从而提高炼油厂的性能和利润率。

2)了解原料对生物油成分的影响和与石油原料的共加工性。了解原料对生物油/生物原油组分的影响,以确定与石油原料的共加工性。

3)开发新方法解决由于生物质衍生中间体中的碱金属和其他杂质引起的催化剂失活。炼油厂整合的一个主要不确定性是引入炼油厂不常见的成分,包括氧化剂和碱金属。了解这些成分对炼油厂运营的影响,开发缓解方法以降低风险。

4)开发预测能力,基于生物质衍生中间体和石油燃料品质来调整运行条件。了解生物质衍生中间体对炼油厂转化的影响,以降低风险和不确定性,并促进将生物质衍生中间体应用于现有的石油精炼基础设施。

5)准确测定联合加工燃料中的生物碳含量。开发并验证用于评估燃料产品中生物碳含量的准确、可靠且经济的方法,以促进炼油厂的生物燃料联合加工。

6)通过成分分析准确评估生物油的质量和稳定性。由于羰基和酸的缩合反应,生物油/生物原油可能会随时间发生反应,这些反应将会增加粘度。需确定这些生物中间体的变化过程,开发稳定油品的方法,以在炼油厂进行联合加工之前进行运输和储存。

4、降低原料成本

1)降低农场生物质供应成本:通过特定能源作物和低成本、低品质生物质资源来增加生物质原料供应。通过基础研究和供应系统建模来确定合适的能源作物和生物质废物源,以降低生物质原料的净获取成本。寻求降低收获和收集成本的策略,以及下游预处理和混合方法,以提供满足条件的低成本原料。

2)开发土地综合管理方式:通过可持续的生产方式提高种植者的盈利能力,同时整合高产量能源作物以提高生物质利用率。利用计算模型和研究来最大化种植者的盈利能力和生物质生产的可持续性。发展高效生态系统服务的认证量化,根据景观布置、土壤特性、田地几何形状以及农民提供生态系统服务的补偿机制而开发,从而提高长期可持续性,减少原料生产所需的分配成本。

3)提高生物质产量稳定性:开发新的策略和技术,以减少收获、收集和储存期间原材料的损失。利用基础研究和供应系统建模确定技术和方法,最大限度地将收获的碳原料输送到生物炼油厂。基于各种生物质的收获特性进行优化以开发供应系统,使成本最小化,同时最大限度地提高供应稳定性。

4)量化原料的规模经济性。由于价格、可变性和不确定性随需求的增加而增加,需要确定原料的规模经济性。在增加生物炼油厂规模和数量的情况下,需要考虑需求的增加。需要对原料进行分析,以根据生物炼油厂数量来量化价格和风险,表征特定区域和路径的原料经济可用性,并提供降低原料交付成本的策略。

5)最大化已交付生物质的价值:确定和开发技术和策略,利用生物质储存和预处理方法从已弃用或不利于转化的生物质组分中获取价值。通过基础研究、供应系统建模和市场分析明确副产品、技术和市场,以抵消碳损失成本。在权衡成本时,确定在预处理过程中产生的生物质组织和组分在其他市场中具有较高的相对价值。

6)原料品质分级:制定分级标准以使原料价值与品质相关联。通过基础研究、供应系统建模和市场分析确定各种原料品质属性对成本和产量的影响,以及市场应用所需的品质特性。开发商业生物质分级系统,并探索利用现有商品原料处理基础设施的途径。

5、开发具有市场影响力的产品

1)燃料和发动机的协同优化:增强对燃料/性能关系的理解,以提高各种发动机的效率。目前的工作主要集中在火花点火发动机上,确定有助于提高整体效率的性能,生物质混合燃料可以帮助实现此类改进。未来应扩展到中型和重型发动机的性能改进,这将有助于将生物质转化策略扩展至生产具有市场影响力的混合燃料。

2)航空燃料:通过整合高性能生物基航空燃料来提高发动机效率。开发替代航空燃料,以备将来在现有燃烧硬件设备中使用。探索研发替代航空燃料(如含氧成分)和发动机燃烧系统的共同优化,以增强燃料系统/发动机的可接受性并改善飞机性能。

3)高性能生物产品:利用生物质独特的化学性质生产性能优越的材料和化学品。通过基础研发和第一性原理计算分析了解结构-性能的关系,以识别具有理想性能的产品。鉴于生物质具备生产性能优越的化学品和产品的潜力,从经济性角度探索可行的路径和产品。

4)废物转化为能源:开发将废物流转化为增值产品和燃料的方法。了解用于水热液化和生物废物转化为能源的策略(例如厌氧消化技术)。了解区域废物的规模效应和混合效应,通过模块化降低资本成本、利用水热液化水相碳以及炼油厂共同加工水热液化生物原油等方法以降低成本。

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