生物燃料_Biofuel

生物燃料，英文名称：Biofuel，是一种在短时间内由生物质生产的燃料，而不是通过石油等化石燃料形成过程中非常缓慢的自然过程生产的燃料。由于生物质可以直接用作燃料（例如原木），因此有些人可以互换使用生物质和生物燃料这两个词。然而，生物燃料一词通常保留用于运输的液体或气体燃料。美国能源信息署(EIA) 遵循这种命名惯例。

生物柴油样品

生物燃料可以从植物或农业、家庭或工业生物废物中生产。生物燃料的温室气体减排潜力差异很大，从在某些情况下与化石燃料相当的排放水平到在其他情况下的负排放。有关这场辩论的概述，请参阅生物量页面。
两种最常见的生物燃料是生物乙醇和生物柴油。美国是最大的生物乙醇生产国，而欧盟是最大的生物柴油生产国。全球生物乙醇和生物柴油生产的能量含量分别为每年2.2和1.5 EJ。
生物乙醇是一种通过发酵制成的酒精，主要来自糖类或淀粉作物（如玉米、甘蔗或甜高粱）中产生的碳水化合物。来自非食物来源（例如树木和草）的纤维素生物质也被开发作为乙醇生产的原料。乙醇可以以其纯净形式 (E100) 用作车辆燃料，但通常用作汽油添加剂以增加辛烷值并改善车辆排放。
生物柴油是通过酯交换由油或脂肪生产的。它可以纯形式 (B100) 用作车辆的燃料，但通常用作柴油添加剂，以降低柴油动力车辆的颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物的含量。

2019年全球生物燃料能源生产国

2019年，全球生物燃料生产提供了全球 3%的公路运输燃料，以及极少量的航空生物燃料。国际能源署希望到2050年生物燃料能够满足世界四分之一以上的交通燃料需求，以减少对石油的依赖。然而，生物燃料的生产和消费并没有走上符合 IEA 可持续发展情景的轨道。从2020年到2030年，全球生物燃料产量必须每年增加10%，才能达到 IEA的目标。
发展历史
第一代生物燃料
第一代生物燃料是由耕地种植的粮食作物制成的燃料。使用酯交换或酵母发酵将作物的糖、淀粉或油含量转化为生物柴油或乙醇。研究人员不同意第一代生物燃料对气候的影响。例如在美国，一些人认为玉米乙醇的排放量高于石油，而另一些人则认为它更低。

左边是纯乙醇（A），右边是汽油（G） ，巴西加油站

第二代生物燃料
第二代生物燃料是由木质纤维素或木质生物质或农业残余物/废物制成的燃料。用于制造燃料的原料要么生长在耕地上，但它们是主要作物的副产品，要么生长在边缘土地上。第二代原料包括秸秆、甘蔗渣、多年生禾本科植物、麻风树、废植物油、城市生活垃圾等。使用这类生物燃料被认为可以提高环境可持续性，因为植物的非食物部分被用于生产第二代生物燃料，而不是被处理掉。 但是这类生物燃料的使用增加了对木质纤维素生物质的竞争，增加了生产这些生物燃料的成本。虽然使用这类生物燃料可以减少碳排放，但它们的使用并不会产生净零碳排放。
第三代生物燃料
藻类可以在陆地的池塘或水池中生产，也可以在海上生产。 藻类燃料产量高，可以在对淡水资源影响最小的情况下生长， 可以使用盐水和废水生产，具有高燃点，并且是可生物降解的，如果溢出，对环境相对无害。 生产需要大量的能源和肥料，生产的燃料比其他生物燃料降解得更快，而且在低温下流动性不好。到2017年，出于经济考虑，大多数利用藻类生产燃料的努力已被放弃或改为其他应用。
第四代生物燃料
这类生物燃料包括电燃料和太阳能燃料。电燃料是通过将电能存储在液体和气体的化学键中制成的。主要目标是丁醇、生物柴油和氢气，但包括其他醇和含碳气体，例如甲烷和丁烷。太阳能燃料是由太阳能产生的合成化学燃料。光被转化为化学能，通常是通过将质子还原为氢，或二氧化碳转化为有机化合物。

Targray Biofuels Division 轨道车运输生物柴油。

第四代生物燃料还包括由生物工程生物（即藻类和蓝细菌）生产的生物燃料。藻类和蓝藻将使用水、二氧化碳和太阳能来生产生物燃料。这种生物燃料生产方法仍处于研究阶段。与老一代的生物燃料相比，由生物工程生物分泌的生物燃料预计具有更高的光子燃料转换效率。这类生物燃料的优点之一是生产生物燃料的生物的培养不需要使用耕地。缺点包括培养生产生物燃料的生物的成本非常高。
类型
以下燃料可以使用第一代、第二代、第三代或第四代生物燃料生产程序生产。其中大部分可以使用两种或三种不同的生物燃料生产程序来生产。
气态
沼气和生物甲烷
沼气是厌氧菌对有机物进行厌氧消化过程产生的甲烷。它可以从可生物降解的废料中生产，也可以通过使用能源作物喂入厌氧消化器来补充气体产量。固体副产品消化物可用作生物燃料或肥料。当CO2和其他杂质从沼气中去除后，称为生物甲烷。
沼气可以从机械生物处理废物处理系统中回收。垃圾填埋气是一种不太清洁的沼气，通过自然厌氧消化在垃圾填埋场产生。如果它逃逸到大气中，就会成为温室气体。农民可以使用厌氧消化器从牛的粪便中生产沼气。
合成气
合成气是一氧化碳、氢气和各种碳氢化合物的混合物，由生物质的部分燃烧产生，即用不足以将生物质完全转化为二氧化碳和水的氧气量进行燃烧。在部分燃烧之前，生物质被干燥，有时被热解。由此产生的气体混合物合成气比原始生物燃料的直接燃烧效率更高；燃料中包含的更多能量被提取出来。
合成气可以直接在内燃机、涡轮机或高温燃料电池中燃烧。木材气体发生器，一种以木材为燃料的气化反应器，可以连接到内燃机。
合成气可用于生产甲醇、二甲醚和氢气，或通过费托工艺转化以生产柴油替代品，或可混入汽油的醇混合物。气化通常依赖于高于700°C的温度。联产生物炭时需要低温气化，但会导致合成气被焦油污染。
液体
乙醇
生物生产的醇，最常见的是乙醇，较少见的是丙醇和丁醇，是由微生物和酶通过糖或淀粉（最容易）或纤维素（更难）发酵产生的。生物丁醇（也称为生物汽油）通常被认为可以直接替代汽油，因为它可以直接用于汽油发动机。
乙醇燃料是全世界最常见的生物燃料，尤其是在巴西。酒精燃料是通过发酵来自小麦、玉米、甜菜、甘蔗、糖蜜和任何可以制成酒精饮料（如威士忌）的糖或淀粉（如马铃薯和水果废料等）的糖而生产的。使用的乙醇生产方法是酶消化（从储存的淀粉中释放糖）、糖的发酵、蒸馏和干燥。蒸馏过程需要大量的热量输入（有时是不可持续的天然气化石燃料，但甘蔗榨汁后留下的废物甘蔗渣等纤维素生物质是巴西最常见的燃料，而颗粒、木屑废热在欧洲更为常见）废蒸汽燃料乙醇工厂 ——工厂的废热也用于区域供热网 。
乙醇可用于汽油发动机作为汽油的替代品；它可以与任何百分比的汽油混合。大多数现有的汽车汽油发动机可以使用高达15%的生物乙醇与石油/汽油的混合物运行。乙醇的能量密度比汽油小；这意味着产生相同数量的功需要更多的燃料（体积和质量）。乙醇（CH
3甲烷
2OH ) 是它的辛烷值高于路边加油站的无乙醇汽油，这允许增加发动机的压缩比以提高热效率。在高海拔（稀薄的空气）地区，一些州要求将汽油和乙醇混合作为冬季氧化剂，以减少大气污染排放。
玉米制乙醇和其他食品原料导致了纤维素乙醇的发展。
与汽油相比，乙醇每单位体积的能量含量大约低三分之一。使用乙醇时效率更高，部分抵消了这一点（在超过210万公里的长期测试中，BEST 项目发现 FFV 车辆的能源效率比汽油车高1-26%，但体积消耗增加大约 30%，因此需要更多的燃料停止）。
其他生物醇
甲醇目前由天然气生产，天然气是一种不可再生的化石燃料。未来希望以生物质为原料生产生物甲醇。这在技术上是可行的，但由于担心经济可行性仍悬而未决，目前正在推迟生产。甲醇经济是氢经济的替代品，与今天的天然气 制氢形成对比。
丁醇（C4H9OH )是通过ABE 发酵（丙酮、丁醇、乙醇）形成的，该工艺的实验修改表明，丁醇作为唯一的液体产品可能具有较高的净能量增益。丁醇将比乙醇产生更多的能量，据称可以在现有的汽油发动机中“直接”燃烧（无需改装发动机或汽车），并且比乙醇的腐蚀性和水溶性更低，并且可以通过现有的基础设施。杜邦和BP正在合作开发丁醇。 大肠杆菌菌株也被成功地改造为通过改变它们的氨基酸代谢来生产丁醇。在大肠杆菌中生产丁醇的一个缺点仍然是营养丰富的培养基的高成本，然而，最近的工作表明，大肠杆菌可以生产丁醇，而营养补充最少。
生物柴油
生物柴油是欧洲最常见的生物燃料。它是通过酯交换由油或脂肪制成的，是一种成分类似于化石/矿物柴油的液体。在化学上，它主要由脂肪酸甲酯（或乙酯）（FAME）组成。生物柴油的原料包括动物脂肪、植物油、大豆、油菜籽、麻风树、麻花、芥末、亚麻、向日葵、棕榈油、大麻、田野仙人掌、Pongamia pinnata和藻类. 与柴油第二代 B100相比，纯生物柴油（B100，也称为“纯”生物柴油）目前可减少高达 60%的排放。截至2020年，澳大利亚CSIRO的研究人员一直在研究红花油作为发动机润滑油，美国蒙大拿州立大学高级燃料中心的研究人员一直在研究该油在大型柴油发动机中的性能，并描述了结果作为“游戏规则改变者”。
Targray Biofuels Division 轨道车运输生物柴油。
与矿物柴油混合时，生物柴油可用于任何柴油发动机和改装设备。它也可以以纯形式 (B100) 用于柴油发动机，但在冬季使用期间可能会出现一些维护和性能问题，因为在较低温度下燃料会变得更粘稠，具体取决于所使用的原料。
在一些国家，制造商为使用 B100的柴油发动机提供保修服务，尽管例如德国大众汽车公司要求驾驶员在改用 B100之前通过电话与大众环境服务部门进行核实。在大多数情况下，生物柴油与1994年以后的柴油发动机兼容，柴油发动机在其机械燃油喷射系统中使用“ Viton ”（杜邦公司）合成橡胶。但请注意，在2014年之前，没有任何车辆获得使用纯生物柴油的认证，因为在此日期之前没有可用于生物柴油的排放控制协议。
从1990年代后期开始，电子控制的“共轨”和“单体喷油器”型系统只能使用与传统柴油混合的生物柴油。这些发动机具有精细计量和雾化的多级喷射系统，对燃料的粘度非常敏感。许多当前一代的柴油发动机都是为了在不改变发动机本身的情况下在 B100上运行而制造的，尽管这取决于燃油导轨的设计。由于生物柴油是一种有效的溶剂，可以清洁矿物柴油沉积的残留物，因此可能需要更频繁地更换发动机过滤器，因为生物燃料会溶解油箱和管道中的旧沉积物。
还能有效清洁发动机燃烧室积碳，有助于保持效率。在许多欧洲国家，5%的生物柴油混合物被广泛使用，并在数千个加油站提供。 生物柴油也是一种含氧燃料，这意味着它比化石柴油含有更少的碳和更高的氢和氧含量。这改善了生物柴油的燃烧并减少了未燃烧碳的颗粒排放。然而，使用纯生物柴油可能会增加 NO x排放
生物柴油的处理和运输也很安全，因为它无毒且可生物降解，与闪点为125°F (52℃）。在法国，生物柴油以8%的比例掺入所有法国柴油车辆使用的燃料中。 艾薇儿集团以Diester品牌生产，占欧盟每年消耗的1100万吨生物柴油的五分之一。它是欧洲领先的生物柴油生产商。
绿色柴油
绿色柴油是通过加氢裂化生物油原料（如植物油和动物脂肪）生产的。加氢裂化是一种炼油方法，它在催化剂的存在下使用升高的温度和压力将较大的分子（例如在植物油中发现的分子）分解成柴油发动机中使用的较短的烃链。它也可以称为可再生柴油、加氢处理植物油（HVO 燃料）或氢衍生可再生柴油。与生物柴油不同，绿色柴油具有与石油基柴油完全相同的化学性质。
它不需要新的发动机、管道或基础设施来分配和使用，但其生产成本与石油不相匹敌。汽油版本也正在开发中。康菲石油公司、 Neste Oil公司、 Valero公司、Dynamic Fuels 公司和霍尼韦尔 UOP 以及瑞典哥德堡的 Preem 公司正在路易斯安那州和新加坡开发绿色柴油，创造了所谓的Evolution Diesel。
纯植物油
未改性的纯食用植物油一般不用作燃料，但为此目的使用了劣质油。用过的植物油越来越多地被加工成生物柴油，或者（更罕见地）去除水和颗粒物，然后用作燃料。
与100% 生物柴油 (B100) 一样，为了确保燃油喷射器以正确的模式将植物油雾化以实现高效燃烧，必须通过电线圈或热交换器加热植物油燃料以将其粘度降低到柴油的粘度。这在温暖或温带气候下更容易。MAN B&W Diesel、Wärtsilä和Deutz AG以及Elsbett等一些较小的公司提供与纯植物油兼容的发动机，无需进行售后改装。
植物油也可用于许多不使用共轨或单体喷射电子柴油喷射系统的老式柴油发动机。由于间接喷射发动机的燃烧室设计，这些发动机是使用植物油的最佳发动机。该系统允许相对较大的油分子有更多的时间燃烧。一些较旧的发动机，尤其是梅赛德斯，是由爱好者在没有任何转换的情况下试验性驱动的。少数司机在早期使用“Pumpe Duse”之前的大众 TDI发动机和其他类似的直喷发动机方面取得了有限的成功。几家公司，例如Elsbett或 Wolf，开发了专业的转换套件，并在过去几十年中成功安装了数百个。
油脂与10磅短链醇（通常为甲醇）在催化剂（通常为氢氧化钠 [NaOH]的存在下反应，可氢化以得到柴油替代品。所得产品为直链具有高十六烷值、低芳烃和硫且不含氧的烃。氢化油可以与柴油以任何比例混合。它们与生物柴油相比具有多个优点，包括低温性能好、无储存稳定性问题和不敏感微生物攻击。
生物醚
生物醚（也称为燃料醚或含氧燃料）是具有成本效益的化合物，可作为辛烷值增强剂。“生物醚是通过反应性异烯烃（如异丁烯）与生物乙醇反应产生的。” 生物醚由小麦或甜菜制成，也由生产生物柴油产生的废甘油制成。它们还可以提高发动机性能，同时显着减少发动机磨损和有毒 废气排放. 尽管生物醚很可能在英国取代石油醚，但由于能量密度低，它们本身不太可能成为燃料。通过大大减少地面臭氧排放量，它们有助于改善空气质量。 
在运输燃料方面，有六种醚添加剂：二甲醚(DME)、二乙醚(DEE)、甲基叔丁基醚(MTBE)、乙基叔丁基醚(ETBE)、叔戊基甲基醚(TAME) ， 和叔戊基乙醚(TAEE)。
欧洲燃料氧化物协会 (EFOA) 将甲基叔丁基醚 (MTBE) 和乙基叔丁基醚 (ETBE) 确定为燃料中最常用的替代铅的醚类。1970年代在欧洲引入了醚来替代剧毒化合物。虽然欧洲人仍在使用生物醚添加剂，但美国不再需要含氧化合物，因此生物醚不再用作主要的燃料添加剂。