E-燃料:发电燃料，可再生能源的下一个堡垒，可能有助于推动我们的未来

碳排放已经困扰着我们的星球，以至于需要做出改变来扭转对环境的任何不利影响。全球气温正以每年超过20摄氏度的惊人速度上升。即将到来的气候灾难是寻找可持续燃料成为燃料行业焦点的原因。创新发电燃料(电子燃料)的设计和开发带来了具有净零碳足迹的产品燃料的良好结果。电子燃料生产的基础是将电力转换为氢气(H2)，并使用以二氧化碳气体(CO2)形式捕获的碳，使两者反应并形成电子燃料。CO2和H2气体之间的反应最常被利用，并转化为合成碳氢化合物气体(如甲烷(CH4)或丁烷)或液态酒精燃料(如甲醇(CH3OH)[1])的产物。图1展示了生产这些合成电子燃料所需的过程。
将讨论甲醇基燃料的生成过程，作为传统石油基燃料的潜在替代品。此外，将强调电子燃料的好处，以进一步证明为什么这种交换是必要的。未来的前景是光明的，因为使用电子燃料可以为更清洁和更可再生的未来指明方向。
在不断寻求可持续的清洁燃料来源方面，电子燃料具有革命性的意义。专家们已经试验了许多不同的工艺，试图找到在经济和能源方面最有效的工艺，以产出最好的产品。使用可再生电力作为能源的主要来源和用于生产水和二氧化碳的主要原材料是大多数电子燃料工艺的一个共性。每一种不同的电子燃料，由不同的工艺配制而成，都有其独特的特点，可以特别适用于某些应用。为了生产电子燃料，人们已经试验了许多不同的反应。使用的各种方法产生的一些电子燃料包括氢、甲烷、甲醇、二甲醚(DME)、费托合成燃料产品、氧甲基醚(OME)以及碳酸二甲酯和甲酸甲酯[3]的混合物。虽然这些方法中的许多已经被证明是成功的，但有些已经超出了预期，由此产生的电子燃料产品的性能和成本与传统的石油基燃料相当。本文重点研究了一系列反应合成甲醇的过程。
在制定电子燃料的最初阶段，必须生产氢气。常见而可靠的电解法是一种清洁、有效的获取氢气的方法。反应发生在电解槽中，电解槽由电解液隔开的阳极和阴极组成。当水被引入系统时，它在阳极反应生成氧和带正电的氢离子。电子通过外部电路，氢离子选择性地穿过聚合物电解质膜移动到阴极，在那里氢离子与来自外部电路的电子结合形成氢气[4]。这个过程和反应方程的直观表示可以在图2中查看。
既然已经获得了氢气，就必须将其与碳化合物反应以用作燃料基。为了进一步改善环境条件，二氧化碳被捕获并在电子燃料生产过程中作为所需的碳化合物重新使用。多余的二氧化碳可以从注入的二氧化碳地质储存位置获得，包括煤层、深层盐水地层、页岩地层或油气藏[5]，但为了进一步改善环境条件，从回收或生物质气化等过程中产生的多余二氧化碳被能量储存技术/系统捕获，并用于配制电子燃料[6]。在电子燃料的生产中，最普遍的碳捕获方法之一是物理分离二氧化碳。物理吸附或吸收是这个过程的原理。这可以通过固体表面(如金属氧化物)吸附CO2气体或通过液体溶剂(通常是Selexol或recsol)吸收CO2气体[7]来完成。CO2气体形式可以在以后通过从吸附剂中增加温度或压力来释放。除了物理分离，一种新的用于合成电子燃料生产的碳捕获技术是直接空气捕获(DAC)。DAC过程从一个空气接触器开始，一个大风扇将空气吸入系统。一旦空气进入系统，它就会经过有无毒氢氧化钾溶液流过的薄塑料表面。 The CO2 molecules chemically bind with the solution, removing them from the air and trapping them in the liquid solution as a carbonate salt [8]. To release a concentrated CO2 gas, to be further utilized, the gas must first be separated from the salt out from the solution. The subsequent reaction, in a pellet reactor, yields a precipitate that then gets passed through a calciner. The precipitated pellets are heated in the calciner (renewable sources such as hydroelectric, wind, or solar energy can be used to power the calciner) to obtain our desired CO2 in pure gas form. After the calciner reaction concludes the pellets are recycled back into the system to reproduce the original capture chemical [8]. The DAC process is continued to be researched as there are some concerns with the amounts of energy it takes to heat the reaction that separates the CO2 gas. It is critical to note that by utilizing either of these methods maintains net-zero carbon emissions.
人们对甲醇这种特殊的替代燃料进行了深入研究，并确定它是一种可靠的燃料替代品。捕获的二氧化碳通过二氧化碳直接加氢过程加工成甲醇。直接二氧化碳氢化已被证明可以实现这一过程，由于进行反应所需的热量减少，而不是通过反水-气-移反应进行二氧化碳氢化。由于能够使用理想的铜催化剂，这种从CO2到CO的转变反应已被利用。不过，CO2和H2气体之间的反应必须使用不同的金属催化剂，因为这个反应会产生水，这会导致铜催化剂停止工作。图3显示了各过程的反应方程。

图3。CO2/CO和H2的加氢反应方程[9]

南开大学的一项研究得出结论，使用钌(Ru)催化剂，CO2的前体可以产生甲醇产品。用来衡量催化剂有效性的指标是周转数。周转数定义为每分钟由单个酶分子[10]转化的底物分子数。对催化剂Ru3(CO)12进行了实验测试，确定其周转数为94.5，在酸性添加剂[9]的存在下，其周转数有可能达到221。使用Ru催化剂的主要问题是，该体系经常遭受恶劣的反应条件，如高温和高压，以及副产物的存在。相比之下，镍(Ni)催化剂也被探索，因为在甲醇合成和二氧化碳消除过程中，镍催化剂价格低廉，反应温度较低[9]。结果表明，镍催化剂可产生高收率的CH3OBcat，可用作甲醇前驱体[9]。镍催化剂反应的另一个优点是反应是可逆的。那么，为什么我们要评估甲醇，而不是其他可能的电子燃料呢?
如图4所示，以甲醇为基础的电子燃料是生产燃料所需能量最低的燃料之一。甲醇电子燃料的储存和运输也是一个巨大的优势。如果海洋中发生甲醇泄漏，甲醇将在24至48小时内溶解，几乎不会对环境造成负面影响。此外，甲醇的密度与典型的石油基燃料相当，这意味着与氢基电子燃料的存储不同，甲醇电子燃料的存储不需要额外的压力。在可预见的未来，基于石油的燃料预计将继续作为主要的燃料来源，甲醇燃料已被实验确定为柴油燃料的有效碳中性添加剂，以减少目前发电部门最重要的流行备用燃料[11]的二氧化碳排放。最终，从多余的二氧化碳转化为可靠的电子燃料已经成功实现。由于这些技术的组合仍然相对较新，这些工艺的可持续性和新的主要燃料来源的潜在崛起只是时间问题。
随着每一种新燃料来源的兴起，必须权衡利弊。由此产生的电子燃料的效率和有效性以及环境效益使电子燃料成为未来可行的选择。我们要讨论的第一个主要好处是，电子燃料如何成为环境和气候友好型燃料。使用可再生电力生产的电子燃料在这个过程中不会产生任何碳排放。由于可再生电力是首选，这将为许多不同类型的可再生能源(如太阳能和风能)提供一个增长平台。电子燃料在日常生产过程中的应用潜力，例如汽车发动机，可以将可持续性纳入运输和供暖行业的现有基础设施[13]。
为了确定电子燃料的环保程度，我们必须讨论制造电子燃料的来源。这种能源就是可再生能源。一项研究比较了风能、化石燃料和德国电解电力组合的二氧化碳当量排放。风能和德国的电力组合都可以作为电子燃料的来源。图A1显示，风能作为能源产生的碳排放量明显低于化石燃料和德国电力结构。因此，在设计电子燃料时，使用可再生能源是很重要的。图A1还列出了大部分二氧化碳排放的来源。电解是德国电力结构产生的大部分二氧化碳当量排放的组成部分，而使用风能的电解则没有产生二氧化碳当量排放。
电子燃料具有的这种环保特性进一步得到了燃料产生的温室气体排放(GHG)的支持。图A2展示了德国电力结构逐步被可再生能源取代的情况。如前所述，使用风能进行电解可使二氧化碳当量排放量大幅减少约85%。由于替代了更多的可再生能源，产生的二氧化碳当量排放量就更少。我们可以得出结论，电解是由可再生电力为电子燃料提供动力，以实现低二氧化碳当量排放[14]是至关重要的。
电子燃料的另一个重要好处是它在经济上对燃料工业有多么有利。在分析经济效益时，首先要看一下目前电子燃料的生产成本。影响电子燃料成本的最大因素来自于氢气的生产。氢可以来自可再生能源和不可再生能源。然而，电子燃料需要从可再生过程中提取氢气，以保持碳的净零排放。这些过程中最常用的是电解。有多种类型的电解槽，因此，电解过程是通过这些不同类型的电解槽进行的，最终导致不同成分的电子燃料，每一种都有自己的相关成本。如图A3所示。图A3中的低值和高值分别是文献中最乐观和最悲观的值，这些值分别用于电解槽和燃料合成的效率和成本，并以平均数据作为基数[2]。
从图A3中我们可以得出结论，电子燃料的生产成本可以保持在低于100欧元/兆瓦时，这与典型的石油基燃料相当。研究还发现，在这项研究的五年中，电子燃料的生产成本已经显著降低，有的降低了50%以上。
电子燃料最独特的好处是它们的高能量密度。高能量密度与储存燃料的能力相对容易有关，因此有助于维持较低的储存成本[15]。这也可以与其他类型的燃料进行比较。2021年的一项研究显示，燃料电池中使用的电子燃料与酒精燃料电池进行了比较。使用电子燃料作为阳极的结果如图A4所示。从图A4可以看出，电池在200 mA/cm2[16]时的能量效率为41.8%，大大高于传统酒精燃料电池的效率。传统酒精燃料电池的能源效率约为7%[17]。
电子燃料有许多好处需要考虑。这些优点是为什么电子燃料被视为未来减少碳排放的可能解决方案的原因。分析目前电子燃料的使用方式可以让我们了解它们在未来的发展方向。
电子燃料商业化的项目已经在进行中。具体来说，国际碳回收公司(CRI)一直是二氧化碳制甲醇工厂发展的先驱。他们目前的项目包括Shuni二氧化碳制甲醇厂，George Olah可再生甲醇厂和MEFCO2。这些设施已经获得了数百万美元的资金，这是有充分理由的，因为George Olah工厂有能力回收5500吨二氧化碳排放，年产能达到500万升甲醇燃料，约占冰岛燃料消耗量的2.5%。另一家对电子燃料行业产生重大影响的公司是Velocys。Velocys公司专注于利用费托法(fisher - tropsch, FT)制造飞机用电子燃料。该公司最近的成就是在2021年，在日本第二次成功地将木质生物质转化为航空燃料。该航班于2021年6月17日成功从东京飞往札幌。为飞行组装的燃料被证实完全符合ASTM D7566标准，此后生产的FT合成技术纯生物喷气燃料(2366升)也被证实符合[19]标准。随着越来越多的公司开始尝试电子燃料，我们应该会看到电子燃料的生产和使用急剧上升。
电子燃料的未来是光明的。因此，亟须探索开发更高效、经济的水电解制氢方法和实现可再生能源用于CO2加氢。可再生能源和H2生产的新技术只会继续增长。未来许多国家将恢复使用可再生能源而不是化石燃料。丹麦就是这样一个国家，它的目标是在其运输部门中独立使用化石燃料。对预计2050年丹麦能源系统报告的分析表明，使用生物质的电子燃料将在该系统中蓬勃发展。据称，电子生物燃料将占基础模型中运输部门的43%。在所有情景中，电子生物燃料和电子燃料的总产量至少为26%。德国还制定了一项计划，到2050年将目前的二氧化碳排放量再减少50%，比1990年减少95%。他们的计划包括到2050年全国80%的电力供应将由可再生能源提供。 At the 2021 United Nations Climate Change Conference (COP26) it was recognized that member countries must pledge to further cut emissions of carbon dioxide to a rate where there is a maximum of 1.5℃ increase in global temperatures per year. If countries were to continue with current regulations, global temperatures can increase to a concerning rate of 2.5℃ per year. However, in 2020, global CO2 emissions from fossil fuels fell 7%, the largest annual drop ever observed [23]. An e-fuel’s ability to obtain net-zero carbon emissions can contribute to further lowering emissions if usage is increased. With continued research and development of sustainable e-fuel methods, we can continue lowering emissions and all in all, prevent the imminent climate disaster.

作者

Raj Shah博士是纽约Koehler Instrument Company的董事，在那里他已经工作了27年。他是IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC，物理研究所，能源研究所和皇家化学学会的同行选举的研究员。作为美国材料试验协会(ASTM)鹰奖获得者，Shah博士最近与人合编了畅销书《燃料和润滑油手册》，详情可在https://bit.ly/3u2e6GY上查阅
他在宾夕法尼亚州立大学(The Pennsylvania State University)获得化学工程博士学位，是伦敦特许管理学院(The Chartered Management Institute)的研究员。Shah博士还是科学委员会的特许科学家，能源研究所的特许石油工程师和英国工程委员会的特许工程师。Shah博士最近被Tau beta Pi(美国最大的工程学会)授予“杰出工程师”的荣誉。他是Farmingdale大学(机械技术)、奥本大学(摩擦学)和石溪大学(化学工程/材料科学与工程)的顾问委员会成员。作为纽约州立大学石溪分校材料科学和化学工程系的兼职教授，Raj还发表了超过475篇论文，并在石油行业活跃了30多年。
更多关于Raj的信息可以在https://bit.ly/3sayVgT上找到
Anthony Schevon和Hugo Ramos是来自纽约州立大学石溪分校(SUNY, Stony Brook University)的化学工程专业学生，Shah博士是该大学外部顾问委员会的主席。他们也是纽约霍茨维尔科勒仪器公司不断增长的实习计划的一部分，该计划帮助学生探索替代能源领域的机会。

参考文献

[1] H. staniin, H. mikulovic，王欣，N. duic，未来能源系统中替代燃料的研究进展，可再生能源与可持续能源，vol . 128, 2020, 109927, ISSN 1364-0321, https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109927。
[2] Brynolf, Selma等，“运输部门的电燃料:生产成本的回顾。”可再生能源与可持续能源评论，第81卷，no. 1。2, Elsevier Ltd, 2018, pp. 1887-905, https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.288。
[3]奥斯菲尔德，F.， &瓦格曼，K.(2020)。电力转燃料:电子燃料是未来气候友好型交通的重要选择。化学工程学报，32(1)，37 - 37。https://doi.org/10.1002/cite.201900180
产氢:电解。Energy.gov。(无日期)。检索于2022年3月1日，从https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis
碳捕获。气候和能源解决方案中心。(2021年5月27日)。检索自https://www.c2es.org/content/carbon-capture/
[6] B.V. Mathiesen, H. Lund, D. Connolly, H. Wenzel, P.A. Østergaard, B. Möller, S. Nielsen, I. Ridjan, P. Karnøe, K. Sperling, F.K. Hvelplund, 100%可再生能源和运输解决方案的智能能源系统，应用能源，卷145,2015，第139-154页，ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.075。
[7] IEA(2021)，关于CCUS, IEA，巴黎https://www.iea.org/reports/about-ccus
直接空气捕捉技术。碳工程。(2021年12月13日)。检索于2022年3月1日，从https://carbonengineering.com/our-technology/
[9]李，y.n。， Ma, R.， He, l - n。， &刁，Z.-F。(2014)。二氧化碳均相加氢制甲醇。Catal。科学。抛光工艺。， 4(6)， 1498-1512。https://doi.org/10.1039/c3cy00564j
[10] Anthony Y.H. Lu, Gerald T. Miwa, Susan B. West，关于磷脂酰胆碱在含细胞色素p -450的重组羟基化体系中的刺激作用，编辑:Minor J. Coon, Allan H. Conney, Ronald W. estabbrook, Harry V. Gelboin, James R. Gillette, Peter J. O 'Brien，微粒体，药物氧化和化学致癌，学术出版社，1980，第59-66页，ISBN 9780121877019, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-187701-9.50011-5。
[11] Krol, T.， & Lenz, C.(2020)。电子燃料能弥补与可再生能源的电力差距吗?复习一下。VGB PowerTech。
[12] Sporrer, A.(2021, 10月7日). e -甲醇:航运脱碳拼图的缺失部分?FreightWaves。检索自https://www.freightwaves.com/news/e-methanol-missing-piece-to-shippings-decarbonization-puzzle
[13]电子燃料-可持续的两种方式。eFuel联盟。(无日期)。检索于2022年3月1日，从https://www.efuel-alliance.eu/efuels
[14] Laura E. Hombach, Larissa Doré， Katrin Heidgen, Heiko Maas, Timothy J. Wallington, Grit Walther，德国轻型汽车使用电子燃料当前(2015)和未来(2030)的经济和环境评估，清洁生产杂志，第207卷，2019，第153-162页，ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.09.261。
[15] Bothe, D.(2019年7月10日)。来自可再生电力的电子燃料是能源转型成功的关键。经济学前沿。检索自https://www.frontier-economics.com/uk/en/news-and-articles/news/news-article-i6477-e-fuels-from-renewable-electricity-key-for-a-successful-energy-turnaround/#
[16]石兴义，等。“一种液体电子燃料电池的性能特性。”应用能源，vol. 297, Elsevier Ltd, 2021, p. 117145 -， https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117145。
[17]王连勤，等。基于纳米结构钯电催化剂的碱性直接乙醇燃料电池能效研究。《ChemCatChem》第七卷第一期14, WILEY-VCH Verlag, 2015, pp. 2214-21, https://doi.org/10.1002/cctc.201500189。
[18]项目:排放变液体技术。国际碳回收组织。(无日期)。检索自https://www.carbonrecycling.is/projects
使用木质生物质制成的可持续航空燃料(SAF)实现飞行。东洋工程公司。(2021年6月18日)。检索于2022年3月1日，从https://www.toyo-eng.com/jp/en/company/news/?n=584
[20]蒋晓，聂晓华，郭新文，宋春山，陈景光，二氧化碳多相催化加氢制甲醇的研究进展，化学通报2020年120 (15)，7984-8034 DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00723
[21]莱斯特，梅森·斯科特等，《未来能源系统中的电燃料分析:2050年案例研究》。能源(牛津)，vol. 199, Elsevier Ltd, 2020, p. 117408 -， https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117408。
[22] Steffen Schemme, Remzi Can Samsun, Ralf Peters, Detlef Stolten, Power-to-fuel作为可持续运输系统的关键-从二氧化碳和可再生电力生产的柴油燃料的分析，燃料，卷205,2017，第198-221页，ISSN 0016-2361, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.05.061。
[23] CB Insights。(2021年4月7日).直接空气捕获解释:流行的新碳减排技术获得高管的关注。CB Insights Research。检索于2022年3月1日，从https://www.cbinsights.com/research/direct-air-capture-corporate-carbon-reduction/