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航空生物燃料的现状及研制前景展望

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航空生物燃料的现状及研制前景展望
诸逢佳-刘建周z

(1上海飞机设计研究院 2中国科学院上海高等研究院 上海200232)
摘要随着燃油价格不断波动和全球环境问题日益受到关注.可持续性航空生物燃料日益成为航空业关注的焦点。航空 生物燃料不仅能够切实减少碳排放量。还能为全世界创造社会经济效益.从而有利于环境保护和航空业的发展。主要介绍了

航空生物燃料的基本概念及其研制、试验情况。探讨了航空生物燃料的发展前景。并简述了中国在航空生物燃料研发方面的
进展。 关键词 生物燃料航空业商用航空 文献标识码:A

中图分类号:TQ517

文章编号:1672—9064(2011)0Ⅷ19—D3

*年来.全球兴起了绿色能源和低碳经济的浪潮,而生 物燃料正是其中的热点之一.引起了全世界的广泛关注。 难以想象.6年前.包括波音公司专家在内的很多业界 人士认为.利用生物燃料替代传统航空燃料在技术上无法实 现。但仅仅几年时间,全球航空生物燃料研发取得巨大进展。 目前国际上航空生物燃料呈现方兴未艾、孕育突破的新趋 势。然而,什么是航空生物燃料。其研制现状如何。航空生物 燃料离我们还有多远?

生产燃料。每颗种子质量的30%撕是油。麻风树可以在各
种不同的土壤条件下生长.包括贫瘠的土地和其他不可耕种 的土地。麻风树种子对人和动物都是有毒的.因此不是食物 来源。 亚麻荠:主要是一种能源作物。富含脂类油。亚麻荠油主 要是作为给料生产可再生燃料。炼油后剩下的“废料”还有一 小部分可以用作鸡饲料。亚麻荠经常与小麦或其他谷类作物 轮种,它可以丰富作物基础、减少单一作物制。 藻类:这可能是生产大量可持续航空生物燃料最有希望 的给料。藻类可以在受污染水域、咸水、沙漠和其他荒芜的地 方生长。它们大量吸收CO:,是发电厂等排放大户理想的“碳 猎手”。藻类炼油最大的优势之一就是生长快。估计每*方千 米产油比其他生物燃料作物多出15倍。 盐土植物:是指盐沼草类和其他盐田生境物种.可以在 植物通常无法生长的咸水或海浪冲击区域生长。
1.3航空业使用生物燃料的必要性

麻风树:麻风树种子含有不可食用的脂类油,可以用于

l航空生物燃料的基本概念
1.1生物燃料 理论上说。生物燃料可以产自任何可再生生物碳原料. 最普遍的来源是生长过程中吸收CO:的植物。相对于化石燃 料。生物燃料在它们的生命周期内会减少CO:的排放。生物 质生长过程中植物吸收的CO:与其制成的燃料在燃烧时产 生的碳大致相等.这就使生物燃料在整个生命周期中大致达 到碳中和。当然.在生物燃料的生产过程中种植农作物、运输 原材料和提炼燃料等仍有排放.但计人这些因素后.生物燃 料的全部C0,排放仍有望比化石燃料减少80%。此外。生物 燃料含杂质(比如硫)更少。因此二氧化硫和煤烟的排放会大 大减少。 第l代生物燃料主要从玉米、大豆、甘蔗等农作物中提 取.但这些农作物也可以作为人和动物的食物.因此第l代 生物燃料的生产引发了许多问题.包括农田用途的改变、粮 食价格的推高,以及灌溉、除虫、施肥等对当地环境的影响。 此外.第l代生物燃料并非商用飞机的合适燃料。它们不具 备喷气机燃料的高性能和安全品质。
1.2第2代生物燃料

在人类活动导致的C0’排放总量中.商用航空业所占比 例约为2%。尽管这一数字与其他行业领域相比仍然较小. 但这些行业目前有可行的替代能源可用。比如.发电行业可 以寻求风力、水力、核能和太阳能技术来发电。不会产生很多 CO:;汽车可以使用混合燃料发动机或电力来驱动;柴油机车 可由电力火车替代。 航空业在减少环境影响方面取得的进步是显著的.飞机 的气动性能、发动机的效率以及航空公司、机场和空管系统 运营的改进共同使飞机的燃油效率比40年前提高了70%以 上。但是如今飞机的每座公里燃油效率比许多汽车更高,预 计飞机乘客数量的增长仍然会导致航空业CO:排放的继续 增加,除非找到其他减排方法。 航空业已将生物燃料研制确定为能够减少其温室气体 排放的主要途径之一。生物燃料为航空业提供了部分替代、

航空业正寻求利用第2代生物燃料.这种新l代生物燃 料源自非粮食作物给料.还可以在很大范围的地方大规模种 植.包括沙漠和咸水。目前适用于航空业的给料主要是麻风 树、亚麻荠、藻类和盐土植物。
作者简介:诸逢佳.上海飞机设计研究院工程师。

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甚至有朝一日完全替代碳密集型石油燃料的能力.随着时间 的推移。它们将使航空业大大减少碳足迹。

燃料,并在多种军用和商用机型上进行了飞行试验。美国 Acceler鼎公司与从事亚麻荠生产的Great Plains公司合作。 利用生物质生产合成燃料.其生产的100%合成喷气燃料已 送往美国空军(USAF)评估。公司还在积极与中国的相关科 研单位探讨清洁燃料的联合研发。

2航空生物燃料的研*
2.1

航空制造商的生物燃料研究

作为航空业的领军企业.波音公司的环境战略一直都着 眼于设*谟偷姆苫晕苫加托侍岣呔鸵馕蹲牛茫希 排放减少。但波音也意识到生物燃料不仅可以应对碳排放的 问题.还可以解决对燃料可用性和来源日益担忧的问题。于 是波音采用“两手抓”的方案,既致力于提高燃油效率.又致 力于改变燃料本身。波音在航空生物燃料领域处于先导地 位。波音环境与航空政策副总裁Billv Glover和波音生物燃 料团队首席研究员Dave Daggen发起了业界关于生物燃料 的对话.并推动了商用航空替代燃料组织的建立。2007年波 音成立了一个包括燃料专家、植物学家、能源专家和公共政 策专家等在内的工作组.专攻可持续生物燃料研究。波音* 几年一直同能源公司、航空公司等密切合作,致力于生物燃 料的研制、试验和推广。 空客公司在生物燃料研制方面也不甘落后。空客认为海 藻是生产商用数量生物燃料最有希望的解决方案.并在 2010年携罗?罗公司、英国航空公司等与英国克兰菲尔德大 学一同开展海藻生物燃料研究。这个称为“海绿色”的项目计 划最终发展成为一个基于海洋的工厂设施.生产达到商用数 量的生物产品以转化为航空生物燃料。
2.2能源公司的生物燃料研制

3航空生物燃料的商用飞行尝试
3.1英国维珍大西洋航空公司

维珍航空于2008—02—23利用提取自巴西棕榈果和椰子 的生物燃料进行了从伦敦希思罗到阿姆斯特丹的飞行。执行

这次飞行的是1架波音747枷O大型客机.4台发动机中有
l台连接了一个独立的生物燃料油箱.可以提供这台发动机 20%的动力。另外3台发动机使用传统燃料.确保在出现问 题的情况下也足以为飞机提供动力.这是商用航线的首次生 物燃料飞行.维珍航空认为它标志着整个航空运输业的重大 突破。
3.2新西兰航空公司

新西兰航空于2008一12—30进行了历时2h的生物混合

燃料飞行试验。试飞由一架装备RB2“发动机的747枷0
完成.左翼外侧的l号发动机使用了一种50:50的混合燃 料,其中成分分别为传统的Jet A—l燃料和提炼自麻风树的

植物油制成的生物燃料。麻风树油由Te黜l能源公司从印
度和非洲采集.并在美国使用霍尼韦尔UOP子公司开发的 精炼技术加工成喷气机燃料.试飞涵盖一系列燃料特定试 验,包括全速起飞、变化推力爬升、燃料润滑性检验、停车重 启、全引擎复飞等。这次飞行为麻风树燃料的认证提供了所 需的数据. 3.3美国大陆航空公司 大陆航空于2009—0l—07进行了北美第1次生物燃料试 飞。试飞由配备2台CFM56—7B发动机的波音737—800完 成.飞机的2号发动机采用了包含50%的生物燃料和50% 的传统燃料的混合燃料.而其中生物燃料中又包含海藻和麻 风树的提取物。海藻油由蓝宝石能源公司提供.麻风树油由 Temsol公司提供。在历时约2h的飞行期间.飞机进行了一系 列常规和非常规操作.如空中停车和*粢约岸铀俸图 速。大陆航空后来公布的试飞结果表明.混合生物燃料的性 能达到或超过了传统喷气燃料的水*.在试飞的各个阶段. 生物燃料的效率均比传统喷气燃料高出约1.1%。 3.4日本航空公司 日航于2009—01—30使用一架波音747—300进行了全球

总部位于美国加州的Solazvme公司是世界上第l家利

用微生物开发出喷气燃料的公司。solaz佃e成立于2003年。
2008年生产出世界第l款藻衍生的喷气燃料。该公司不是 利用阳光培养藻类.而是在黑暗环境下利用碳水化合物培养 微藻以生产喷气燃料.这种通过间接光合作用从藻类提炼燃 料的技术使生产速度大大加快。按照生命周期理论计算. Solazyme生产的喷气燃料比柴油减少85%的C0:排放。 霍尼韦尔旗下的UOP公司作为一家世界一流的石油精 炼和石化产品生产商,在生物燃料研制领域也处于领先。 UOP于2006年建立了可再生能源和化学品分部.采用其开 发的Ecofinin异工艺,使用催化加氢处理技术将原油转化为 绿色柴油。利用这种先进的精炼技术.UOP将生物油供应商 提供的产品加工成生物燃料.让几家航空公司成功进行了生 物燃料试飞。另外UOP还从排放的烟气中捕集C0,用于培 植微藻.然后提取微藻油并转化为生物燃料。

美国新能源公司Te舢l Ene啊成功利用麻风树炼制清
洁原油.公司拥有1万hm:油料作物。并与印度等国的种植 园密切合作以采集麻风树油,其原油经UOP技术提炼已成 功用于飞行试验。美国蓝宝石能源公司利用海藻、阳光、C02 和非饮用水成功制造环保原油.并获得了美国政府l亿美元 的资助。以帮助美国减少对外国石油的依赖。该公司已使用 5讲50的混合燃料与航空公司成功开展了飞行试验。美国蒙 大拿州的可持续燃油公司利用亚麻荠来提炼燃料.在过年的 两年中与UOP合作.已利用亚麻荠生产了30万多加仑生物

第4次生物燃料试飞。机上4台普惠邢D发动机中的3号
机使用了生物燃料与传统燃料各占50%的混合燃料.其中生 物燃料的成分由亚麻荠油(84%)、麻风树油(15%)和藻类油

(1%)混合制成。可持续燃油公司提供了亚麻荠油,Te舢l能
源公司提供麻风树油.蓝宝石能源公司提供藻类油。试飞历 时1.5h.进行了快速加速减速、发动机停车并*舻炔僮鳎 行员称一切顺利.混合燃料驱动的发动机与另外3台常规航 油发动机性能没有任何不同。 3.5荷兰皇家航空公司

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荷航于2009一ll一23进行了全球首次载客生物燃料试 飞.机上有数位荷兰政府官员和航空业界人士。试飞由1架

空飞行减碳的目标。业界有些公司希望到2025年就能运营 使用25%生物燃料的机队.到2030年将这一数字增加到
30%。

747枷0完成.机上4台发动机中的3台发动机由传统燃料
提供动力.另1台则由生物燃料和传统燃料以50:50比例混 合而成的燃料提供动力。这些生物燃料的成分为亚麻荠油. 由位于美国西雅图的生物科技公司提供。飞机在荷兰上空飞 行了1.5个h。 3.6巴西塔姆航空公司 塔姆航空于2010一ll一23用一架空客A320进行了生物 燃料试飞.2台CFM56—5B发动机中的l台使用了麻风树油 提炼的生物燃料与传统航空柴油50/50混合的燃料。飞机从 里约热内卢起飞.在大西洋上空的巴西空域范围内飞行了 45min。塔姆航空从巴西各地的麻风树种子生产商那里购进 种子。安排将它们转化为半精炼油,然后再出口到美国,由 UOP公司将麻风树种子油加工成生物柴油。这次试验是拉 丁美洲使用麻风树油提炼的生物燃料所进行的首次成功试 飞。塔姆航空下一步计划在其位于圣卡洛斯的技术中心建立 小规模的麻风树作物种植场所,用于进行技术和经济可行性 研究.以启动巴西境内麻风树生物燃料从原材料生产到生物 柴油配送的综合价值链。

5我国对航空生物燃料的研制参与
面对航空生物燃料的发展需求和广阔前景,中国政府、 企业和研发机构也正在通过整合资源和多方协作方式积极 *娇丈锶剂系难兄评谩#玻埃保澳辏翟隆V锌圃呵嗟荷 物能源与过程研究所与波音公司宣布共同出资组建“可持 续航空生物燃料联合研究实验室”.致力于微藻生物燃料的 研究并促进航空业可持续生物燃料的产业化进程。就在同一 个月,中国石油、中国能源局、波音公司及全球航空业的代表 宣布共同签订一份合作谅解备忘录.对中国建立可持续航空 生物燃料产业进行评估。同年9月.民航局发展计划司在成 都召开了中国民用航空生物燃料技术研讨会.与会代表就航 空燃料的审批方式、民用航空生物燃料标准ASTM D7566草 案等进行了深入讨论。 中国国航、中国石油、波音和霍尼韦尔旗下的UOP公司 已宣布将携手合作.利用中国种植和加工的生物质可持续生 物燃料在中国实现首飞。中石油将提供生物质原料,可能为

藻类或麻风树,由UOP公司利用其Ec硪Iling设备加工为航
空燃油。中国还与空客母公司EADS共同探讨未来5a内开 辟北京一上海生物燃料航线的可行性。

4航空生物燃料的前景展望 随着航空公司成功进行生物燃料商用飞行试验.航空生
物燃料的可行性得到了进一步验证。飞行试验成功后.生物 燃料需要得到认证.目前预计2013年燃料规范机构就可以 完成对航空生物燃料的取证。但也有一种可能.生物燃料和 传统喷气机燃料的5Q,50混合燃料可以在2011年取得认 证。由于最*在研究和技术上取得的进步。一旦给料生产过 程开始运作。航空生物燃料可能在5a内就能用于商用飞行。 正如波音民用飞机集团环境战略副总裁比利?格洛弗所说. “利用生物燃料替代传统航空燃料不再只是一种美好的愿 望.而是已被证明具有很大的现实可能性。” 分析表明.世界喷气机燃料供应中只要有l%由生物燃 料替代.就能维持一个有生存力的生物燃料市场(或者用另 一种方式表示.就是世界机队中有10%的飞机使用10%生 物燃料和90%传统燃料的混合燃料)。如果取证过程顺利,这 一目标最早到2015年就能实现。航空业界已经承诺。到 2012年让可持续生物燃料用于商业飞行成为现实.并在

6结束语
发展航空生物燃料不仅可以减少航空业的温室气体排 放和对单一燃料的依赖.还可以为世界上部分地区带来经济 效益.尤其是土地无法耕种粮食作物但适合种植第二代生物 燃料作物的发展中国家。只要世界各国政府、给料和燃料供 应商以及航空业界共同努力.航空生物燃料定将在不远的将 来得到大规模应用.航空业也将再次跨出不*凡的一步。 参考文献
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航空生物燃料的现状及研制前景展望
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 诸逢佳, 刘建周 诸逢佳(上海飞机设计研究院), 刘建周(中国科学院上海高等研究院 上海200232) 能源与环境 Energy and Environment 2011(4) 1次

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引证文献(1条) 1.尹雨晨.朱岳麟.熊常健.潘英杰 RP-3改性航空燃料的制备及其性能评价[期刊论文]-化学工程师 2012(6)

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