臭草可以制造更清洁的生物喷气燃料

诸平

Pennycress—often called stinkweed

据美国俄亥俄州立大学（Ohio State University）2021年8月2日提供的消息，该校的一项新的研究表明，一种常见的农场杂草可以制造一种“更绿色”的喷气燃料，与其他生物燃料相比，与生产相关的环境影响更少。相关研究结果已经在《应用能源》（Applied Energy）杂志网站发表——Seyed Hashem Mousavi-Avval, Ajay Shah. Life cycle energy and environmental impacts of hydroprocessed renewable jet fuel production from pennycress. Applied Energy, Volume 297, 1 September 2021, 117098. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117098

根据这项研究，种植这种杂草——丁香草（pennycress）——通常被称为臭草（stinkweed）——与其他可用于制造可再生喷气燃料的植物相比，这种作物需要更少的肥料和更少的杀虫剂。与其他潜在的生物燃料作物相比，丁香草还需要更少的农场操作，例如翻土，从而降低了相关的环境成本。这些成本包括导致气候变化的二氧化碳排放，以及其他污染空气的排放。

研究表明，通过农场管理技术可以进一步减轻环境影响，这些技术将肥料保持在田地，而不是让它流入附近的流域。这些技术会增加种植作物的财务成本，但会减少它们的环境足迹。

该研究的通讯作者、俄亥俄州立大学食品、农业和生物工程副教授Ajay Shah说：“减少航空旅行中的温室气体排放不仅意味着增量变化，还意味着我们生产燃料的方式和燃料来源的根本变化。而且我们发现，丁香草可能是一种非常好的替代燃料，尤其是当你考虑到生产它的环境成本时。”

最近在线发表在《应用能源》杂志上的在这项研究中，研究人员估计了种植丁香草、将其运输到生物精炼厂并将其转化为可用的喷气燃料的环境影响。他们还考虑了燃烧将丁香草种子精炼为燃料的剩余副产品的环境成本。这些环境成本包括化肥和杀虫剂的使用、水的消耗以及从农场收获和运输丁香草种子到生物精炼厂并将其加工成可用燃料所需的能源。

研究人员建立了计算机模型，以确定从丁香草种子生产喷气燃料需要多少总能量，并将这些估计值与从其他作物生产生物燃料所需的能量进行比较。这些模型的数据来自关于生物燃料生产的现有研究。

他们的模型表明，从丁香草生产喷气燃料所需的能量大约是用另外两种潜在的生物喷气燃料作物油菜（canola）或向日葵（sunflowers）生产喷气燃料所需能量的一半。研究人员发现，丁香油（Pennycress oil）生产使用的能源约为豆油生产的三分之一，将丁香油转化为喷气燃料所需的能量与用于从开花植物亚麻荠（camelina，另一种生物燃料作物）生产燃料所需的能量大致相同。

Ajay Shah说，可再生喷气燃料在经济上与化石燃料生产喷气燃料相比尚不具有竞争力。但计算替代生物基燃料的环境影响应该有助于农民和决策者，因为他们试图限制地球大气中的二氧化碳，并有望减缓或阻止气候变化。

Ajay Shah说：“由于其生长季节，丁香草也是一种有吸引力的替代喷气燃料。这是一种冬季覆盖作物（winter cover crop），可以在玉米季节和大豆季节之间种植，每年为同一片农田提供额外的生产周期。在玉米收获之前，当玉米还在地里时就可以种植丁香草。而且它可以在种植大豆作物之前收获。底线是它可以用作覆盖作物，它不会转移任何农业生产用地，并且它具有适合可再生航空燃料生产的特性。”

据研究交通运输对气候变化影响的多个团体称，航空旅行产生的温室气体排放会导致气候变化，约占所有人为二氧化碳排放量的2%。

Ajay Shah说：“减少这些排放几乎肯定意味着寻找更清洁的化石燃料生产喷气燃料的替代品。像这样的研究可以帮助确定最佳替代方案。说到丁香草，生产和物流是环境影响和成本的主要贡献者，而这些都是挑战领域——必须精简和解决它们以提高效率。如果我们能够改善这些领域，我们就可以提高生产的能源效率，并大大降低成本和对环境的影响。”

这项工作得到了美国能源部的资助。上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Highlights

• Jet fuel from pennycress requires less energy than that from similar oilseeds.

• Pennycress-based jet fuel has less greenhouse gas emissions than fossil jet fuel.

• Energy and environmental impacts are dominated by nitrogen fertilizer and hydrogen.

Abstract

There is a growing interest in making the overall aviation industry more environmentally-friendly by developing advanced biofuels. In this context, the main driver is establishing feedstocks with lower environmental loads and higher energy use efficiency. The objective of this study was to evaluate the energy requirement and environmental impacts of hydroprocessed renewable jet fuel (HRJ) production from pennycress. The system boundary included pennycress production, logistics, oil extraction and conversion to HRJ, wastewater treatment, and electricity and steam generation. Energy allocation method was used for the analysis. The functional unit was considered to be one GJ of HRJ, and the biorefinery size was considered to be 18.9 million l/yr (5 million gal/yr) HRJ. Energy use efficiency of pennycress-based HRJ production was estimated to be 3.9–5.5 (90% central range), which was higher than that of HRJ from other oilseeds, such as canola. Global warming potential of pennycress-based HRJ (35–49 kgCO2eq/GJ of HRJ (90% central range)) was also lower than those of HRJ from similar oilseeds and the commercial jet fuel baseline. Pennycress production was the main contributor to the total energy use and environmental impacts of HRJ production, mainly due to the use of nitrogen fertilizer for production, and fuel combustion for farm operations. Pennycress yield was identified as the most sensitive parameter affecting the energy use efficiency and environmental impacts of HRJ production. The outcomes of this study are useful for identifying the performance targets towards improving energy use efficiency and environmental performance of pennycress-based HRJ production at the commercial scale.