[论文解读] Fuels of the Future for Renewable Energy Sources (Ammonia, Biofuels, Hydrogen)

G. Ali Mansoori, L. Barnie Agyarko+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2021

Biodiesel Production and Applications参考文献 89被引用 16

一句话总结

本文评估了通过可再生能源生产的氨、生物燃料和氢气作为可持续能源载体的潜力，强调其在实现交通和工业领域脱碳方面的前景。论文提出通过绿色合成这些燃料以减少温室气体排放，先进生物燃料和绿色氨为化石燃料提供了可规模化且不与粮食竞争的替代方案。

ABSTRACT

Potential strategies for the development and large-scale application of renewable energy sources aimed at reducing the usage of carbon-based fossil fuels are assessed here, especially in the event of the abandonment of such fuels. The aim is to aid the initiative to reduce the harmful effects of carbon-based fossil fuels on the environment and ensure a reduction in greenhouse gases and sustainability of natural resources. Small-scale renewable energy application for heating, cooling, and electricity generation in households and commercial buildings are already underway around the world. Hydrogen (H2) and ammonia (NH3), which are presently produced using fossil fuels, already have significant applications in society and industry, and are therefore good candidates for large-scale production through the use of renewable energy sources. This will help to reduce the greenhouse gas emissions appreciably around the world. While the first-generation biofuels production using food crops may not be suitable for long-range fuel production, due to competition with the food supply, the 2nd, 3rd and 4th generation biofuels have the potential to produce large, worldwide supplies of fuels. Production of advanced biofuels will not increase the emission of greenhouse gases, and the ammonia produced through the use of renewable energy resources will serve as fertilizer for biofuels production. The perspective of renewable energy sources, such as technology status, economics, overall environmental benefits, obstacles for commercialization, relative competitiveness of various renewable energy sources, etc., are also discussed whenever applicable.

研究动机与目标

• 评估氨、氢气和先进生物燃料作为大规模可再生能源载体的可行性。
• 分析从化石燃料向基于可再生能源的燃料生产转型过程中的环境、经济和技术挑战。
• 评估二、三、四代生物燃料在避免与粮食供应竞争方面的作用。
• 探讨绿色氨作为生物燃料原料生产肥料的整合应用。
• 比较不同可再生能源燃料技术在全球部署中的竞争力与可扩展性。

提出的方法

• 系统性回顾和分析当前氢气、氨和生物燃料的技术现状、经济性及环境影响。
• 评估基于可再生能源的氢气（如电解）和氨（如绿色哈伯-博施法）生产路径。
• 利用非粮生物质和藻类作为原料，评估二、三、四代生物燃料，以避免粮食与燃料之间的冲突。
• 分析绿色氨作为生物燃料作物生产中可持续肥料的整合潜力。
• 对各类燃料在能源效率、基础设施兼容性和可扩展性方面的表现进行对比评估。
• 利用39页分析数据、16幅图表和8张表格，支持技术与经济评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过可再生能源驱动的电解和哈伯-博施工艺大规模生产绿色氢气和氨，以替代化石燃料来源的版本？
• RQ2 一代生物燃料与先进生物燃料在环境和经济方面的权衡是什么？
• RQ3 绿色氨在多大程度上可作为可持续肥料用于生物燃料原料作物的栽培？
• RQ4 商业化基于可再生能源的燃料面临哪些关键技术与经济障碍？
• RQ5 在实现全球脱碳目标方面，氢气、氨和先进生物燃料的相对竞争力与可扩展性如何比较？

主要发现

• 通过可再生能源供电的电解和哈伯-博施工艺生产的绿色氢气和氨，可显著减少全球温室气体排放。
• 二、三、四代生物燃料可实现大规模、不与粮食竞争的燃料生产，且不会增加净温室气体排放。
• 绿色氨可与生物燃料协同生产，并用作可持续肥料，从而推动循环生物经济的发展。
• 向基于可再生能源的燃料转型面临基础设施、成本和技术成熟度方面的挑战，尤其在绿色氢气和氨领域。
• 由于减少土地使用和粮食竞争，先进生物燃料和绿色氨比一代生物燃料更具可持续性和可扩展性。
• 本文结论认为，基于可再生能源的燃料在技术上可行且环境效益显著，但需政策与投资支持以实现商业化。