Nieuwe verbrandingsstrategieën en biobrandstoffen zorgen voor schonere, efficiëntere auto’s en vrachtwagens

Vorig jaar bereikte het gemiddelde brandstofverbruik voor lichte voertuigen een nieuw hoogtepunt, terwijl de pandemie de tijd op de weg, het brandstofverbruik en de uitstoot verminderde. Deze kortetermijnreducties hebben de inspanningen gestimuleerd om nog meer brandstofefficiëntie en emissiereducties op de lange termijn te realiseren voor benzineauto’s, die waarschijnlijk de komende jaren het grootste deel van de Amerikaanse automarkt zullen uitmaken. Om te voldoen aan de leveringsvraag als gevolg van de pieken in het online bestellen door Amerikanen die in quarantaine zijn geplaatst, zijn vrachtwagens weer actief geworden en is het dieselverbruik zelfs hoger dan vóór de pandemie.

Een rapport dat deze maand is vrijgegeven, belicht de belangrijkste doorbraken van het afgelopen jaar in het Co-Optimization of Fuels & Engines (Co-Optima) -initiatief van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), met details over bevindingen die kunnen worden vertaald in aanzienlijk broeikasgas (GHG). ) en vermindering van uitlaatemissies. Onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) en acht andere nationale laboratoria werken samen om te onderzoeken hoe gelijktijdige verbeteringen aan voertuigbrandstoffen en motoren de energie-efficiëntie en het gebruik van hernieuwbare brandstoffen kunnen verhogen, terwijl de uitstoot wordt verminderd.

Veel van het Co-Optima-onderzoek richt zich op componenten die bekend staan ​​als blendstocks, die kunnen worden geproduceerd uit een breed spectrum van huishoudelijke hulpbronnen, waaronder hernieuwbare biomassa – zoals bosbouw, landbouw en voedselafval – en gecombineerd met op aardolie gebaseerde brandstoffen. Onderzoekers van Co-Optima hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de impact van blendstocks op voertuigefficiëntie en emissies, waarbij het onderzoek in het boekjaar 2020 (FY20) zich concentreert op multimode-verbrandingsstrategieën voor lichte voertuigen (LD) en menggestuurde compressieontsteking (MCCI) en geavanceerde compressieontstekingsstrategieën (ACI) voor middelzware (MD) en zware (HD) voertuigen.

“Wanneer we deze nieuwe blendstocks combineren met op aardolie gebaseerde brandstoffen in geavanceerde motoren, zien we substantiële reducties in vervuilende emissies”, aldus NREL Senior Research Fellow, Advanced Fuels and Combustion Platform Leader, en Co-Optima Leadership Team Member Robert McCormick. “We hebben het over blendstocks die de uitstoot van broeikasgassen met meer dan 60% verminderen in vergelijking met de petroleum die ze verdringen en ook de uitlaatroetemissies van zowel auto’s als commerciële vrachtwagens verminderen – wat uiteindelijk betekent dat de lucht schonere en een gezondere planeet is.”

Bioblendstocks om te voldoen aan emissie- en kostendoelstellingen voor vrachtwagens

De diesel-aangedreven MCCI-motoren die doorgaans in commerciële vrachtwagens worden aangetroffen, leveren een hoog vermogen en een laag brandstofverbruik, maar vereisen dure en complexe controlesystemen om aan de emissievoorschriften te voldoen. FY20 Co-Optima-onderzoek heeft het potentieel aangetoond voor veel kandidaat-MCCI-mengsels om de uitstoot van vervuilende stoffen volgens de MD- en HD-criteria te verminderen en de uitstoot van broeikasgassen gedurende de levenscyclus met meer dan 60% te verminderen in vergelijking met conventionele diesel uit aardolie, terwijl wordt voldaan aan de vereisten voor de productie van commerciële voertuigen en de operationele kosten.

NREL-bijdragen aan dit Co-Optima MD- en HD-onderzoek omvatten:

• Verbeterde modelleringsmogelijkheden gebruiken om de inzet van klasse 8-vrachtwagens te simuleren met een biobrandstofmengsel van 10%, wat een potentieel aan het licht brengt voor een 7,5% afname van de cumulatieve broeikasgasemissies tussen 2025 en 2050 (met grotere emissiereducties bij hogere biobrandstofmengniveaus)
• Identificatie van een unieke moleculaire structuur, katalysator en biomassa-omzettingsstrategie om een ​​potentieel hoogwaardige, koolstofarme, kosteneffectieve bioblendstock te produceren voor gebruik in dieselmotoren
• Toepassing van geavanceerde rekenmethoden om optimale regelstrategieën voor motoren met compressieontsteking te ontdekken waarmee de uitstoot verdrievoudigd kan worden zonder een significante daling van het vermogen
• Kwantificering van hoe koolstofarme biobrandstofmengsels een hoog motorrendement kunnen opleveren, met minder schadelijke uitlaatemissies en lagere broeikasgasemissies gedurende de levenscyclus dan standaard dieselbrandstof
• Laten zien hoe de chemische structuur de roetneiging van biobrandstoffen uit landbouw- en bosbouwafval beïnvloedt om het ontwerp van schonere nieuwe hoogwaardige blendstocks te ondersteunen.

Co-Optima-onderzoekers uit het hele initiatief gebruikten techno-economische en levenscyclusanalyses om potentiële MCCI-blendstocks te beoordelen en te rangschikken tegen 19 meeteenheden voor technologische paraatheid, economische levensvatbaarheid en milieueffecten. Hernieuwbare diesel geproduceerd uit nat afval en gebruikte bakolie met behulp van bepaalde methoden leverde het meest gunstige economische potentieel en emissiereducties op. De meeste kandidaat-blendstocks boden gunstige economische maatstaven, vier met richtprijzen onder de $ 4 per gallon-equivalent.

Brandstofeigenschappen om de motorefficiëntie in meerdere modi voor auto’s te maximaliseren

Motoren die gebruik maken van versterkte vonkontsteking (SI) tijdens acceleratie of stijgende hellingen en ACI / lean-SI-modi gebruiken in meer typische rijomstandigheden, staan ​​bekend als multimode-motoren. In FY20 identificeerden Co-Optima-onderzoekers 10 biobased blendstocks die potentieel vertonen voor compatibiliteit met SI, ACI en andere geavanceerde verbrandingsmodi, een reductie van broeikasgasemissies gedurende de levenscyclus van ten minste 60%, een hoog marktpenetratiepotentieel en betere prestaties bij gebruik. in LD multimode-engines.

NREL’s Co-Optima LD-onderzoek omvatte:

• Identificatie van technieken om te profiteren van blendstocks die niet-lineaire voordelen bieden voor brandstofeigenschappen om bovengemiddelde prestaties, efficiëntie en emissiereducties te leveren wanneer ze worden gemengd met toekomstige brandstoffen en gecombineerd met nieuwe verbrandingsstrategieën
• Ontwikkeling van een snelle en nauwkeurige online tool om onderzoekers te helpen de moleculaire structuur van emissiearme, hoogrenderende biobrandstoffen in seconden in plaats van dagen te identificeren
• Afstemming van de samenstelling van biobrandstoffen gemaakt van houtachtige biomassa om een ​​hogere energiedichtheid te bieden, samen met ontstekingseigenschappen en een laag roetvormend potentieel van vitaal belang voor verbeterde SI- en multimode-motorprestaties.

De ACI- en lean-SI-verbrandingsmodi en motortechnologieën kunnen de efficiëntie verhogen en de uitstoot van alle soorten voertuigen in typische omstandigheden verlagen, terwijl de vermogensdichtheid en efficiëntiewinst door turbolading, directe injectie, motorreductie en downspeeding behouden blijven. Het samenwerkende Co-Optima-team ontdekte dat alle 10 blendstock-kandidaten voldeden aan de criteria voor gebruik in multimode-motoren, waarbij vijf aanzienlijk minder belemmeringen voor adoptie aantoonden, en één (ethanol) al op de markt.

Nieuwe partners om ontwikkeling en adoptie te versnellen

Via een competitief proces selecteerde DOE nieuwe, door de industrie geleide projecten in FY20 om de ontwikkeling en acceptatie van commerciële high-performance biobrandstoffen te versnellen door gebruik te maken van de unieke experimentele en computationele mogelijkheden van de nationale laboratoria. Shell werd gekozen om samen te werken met NREL om metabole engineering en procesoptimalisatie toe te passen op de biologische productie van de hoogwaardige blendstock isopropanol. Het team voltooide onlangs de eerste rekenkundige analyse voor het project.

“Nu branchepartners zich bij het team hebben gevoegd, zijn we veel dichter bij het voltooien van onze overdracht”, zei McCormick. “Uiteindelijk zal de industrie de wetenschappelijke onderbouwing van Co-Optima gebruiken om de schone, efficiënte en betaalbare nieuwe brandstoffen en voertuigmotoren te ontwikkelen die we nodig hebben voor een duurzame toekomst.”