Energies

Chúng tôi đã sản xuất các ước tính hàng năm về lượng khí đốt được đốt và hiệu suất đốt khí trên toàn quốc và toàn cầu từ năm 1994 đến 2008, sử dụng dữ liệu hình ảnh ánh sáng thấp thu được từ Chương trình Vệ tinh Khí tượng Quốc phòng (DMSP). Việc đốt khí là một phương pháp phổ biến để xử lý khí thải liên quan trong các cơ sở sản xuất và chế biến dầu nơi mà cơ sở hạ tầng cho việc sử dụng khí (chủ yếu là mê-tan) là không đủ. Việc sử dụng khí tốt hơn là chìa khóa để giảm phát thải carbon toàn cầu vào khí quyển. Các ước tính của DMSP về khối lượng khí đốt bị đốt dựa trên một quy trình hiệu chỉnh phát triển với một tập hợp dữ liệu báo cáo về khối lượng khí đốt bị đốt ở cấp quốc gia và dữ liệu từ từng điểm đốt. Hiệu suất đốt được tính toán như là khối lượng khí đốt bị đốt mỗi thùng dầu thô được sản xuất. Việc đốt khí toàn cầu đã giữ ổn định trong khoảng mười lăm năm qua, dao động trong khoảng từ 140 đến 170 tỷ mét khối (BCM). Hiệu suất đốt toàn cầu rơi vào khoảng từ bảy đến tám mét khối mỗi thùng từ năm 1994 đến 2005 và giảm xuống còn 5.6 m3 mỗi thùng vào năm 2008. Ước tính về việc đốt khí vào năm 2008 là 139 BCM, đại diện cho 21% mức tiêu thụ khí tự nhiên của Hoa Kỳ với giá trị thị trường bán lẻ tiềm năng là 68 tỷ USD. Việc đốt trong năm 2008 đã thêm hơn 278 triệu tấn khí carbon dioxide tương đương (CO2e) vào khí quyển. Các ước tính về khối lượng khí đốt bị đốt của DMSP chỉ ra rằng việc đốt khí toàn cầu đã giảm 19% kể từ năm 2005, dẫn đầu bởi việc giảm khí đốt ở Nga và Nigeria, hai quốc gia có mức đốt khí cao nhất. Hiệu suất đốt của cả Nga và Nigeria đã được cải thiện từ năm 2005 đến 2008, cho thấy rằng sự giảm khí đốt có thể là kết quả của việc sử dụng khí đã cải thiện, quá trình tiêm lại, hoặc thông khí trực tiếp khí vào khí quyển, mặc dù ảnh hưởng của các bất định trong dữ liệu vệ tinh không thể bị loại trừ. Dự kiến rằng khả năng ước tính khối lượng khí đốt bị đốt dựa trên dữ liệu vệ tinh sẽ thúc đẩy việc sử dụng khí tốt hơn, khí mà trước đây chỉ bị đốt như là chất thải.

Các vi khuẩn xanh tích trữ dầu có tiềm năng cho phép sản xuất biodiesel quy mô lớn mà không cạnh tranh với đất canh tác hoặc các hệ sinh thái tự nhiên đa dạng. Năng suất lipid cao của những loài vi khuẩn xanh tăng trưởng nhanh tức thời là điều kiện tiên quyết chính cho sản xuất thương mại biodiesel từ dầu vi khuẩn. Tuy nhiên, trong điều kiện tăng trưởng tối ưu, một lượng lớn sinh khối vi khuẩn được sản xuất nhưng với hàm lượng lipid tương đối thấp, trong khi các loài có hàm lượng lipid cao thường phát triển chậm hơn. Những tiến bộ lớn trong lĩnh vực này có thể đạt được thông qua việc kích thích sinh tổng hợp lipid, chẳng hạn như thông qua các tác động căng thẳng môi trường. Lipid, dưới dạng triacylglycerides, thường có chức năng lưu trữ trong tế bào, cho phép vi khuẩn xanh tồn tại trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Về cơ bản, sinh khối vi khuẩn và triacylglycerides cạnh tranh với nhau cho chất đồng hóa quang hợp, và việc tái lập các con đường sinh lý là cần thiết để kích thích sinh tổng hợp lipid. Đã có một loạt nghiên cứu được thực hiện để xác định và phát triển các kỹ thuật kích thích lipid hiệu quả trong vi khuẩn xanh như căng thẳng về chất dinh dưỡng (chẳng hạn như thiếu nitrogen và/hoặc phosphorus), căng thẳng thẩm thấu, bức xạ, pH, nhiệt độ, kim loại nặng và các hóa chất khác. Ngoài ra, một số chiến lược di truyền cho việc sản xuất và khả năng kích thích triacylglycerides được phát triển hiện nay. Trong bài tổng quan này, chúng tôi thảo luận về tiềm năng của các kỹ thuật kích thích lipid trong vi khuẩn xanh và cũng ứng dụng của chúng ở quy mô thương mại cho quá trình sản xuất biodiesel.

Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguồn năng lượng chính cho hầu hết các quốc gia đã gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, chẳng hạn như hiện tượng ấm lên toàn cầu và ô nhiễm không khí. Ô nhiễm không khí gây ra nhiều vấn đề sức khỏe, dẫn đến những tác động tiêu cực về xã hội và kinh tế. Các nỗ lực toàn cầu đang được thực hiện để tránh các hậu quả của sự ấm lên toàn cầu thông qua việc thiết lập các thỏa thuận quốc tế, từ đó dẫn đến các chính sách địa phương phù hợp với sự phát triển của từng quốc gia ký kết. Hơn nữa, có sự cạn kiệt tài nguyên không thể tái tạo, có thể trở nên khan hiếm hoặc không còn trong các thế hệ tương lai. Việc bảo tồn tài nguyên, mục tiêu chung của chiến lược Kinh tế Tuần hoàn và phát triển bền vững, hiện nay vẫn chưa đạt được. Trong công trình này, việc tính toán các chỉ số và phân tích toán học cũng như thống kê được áp dụng để làm rõ và chứng minh các xu hướng, cung cấp thông tin cho quá trình ra quyết định, đồng thời nâng cao nhận thức của công chúng. Thực tế rằng các quốc gia châu Âu không sở hữu trữ lượng nhiên liệu hóa thạch phong phú sẽ không thay đổi, nhưng kết quả của phân tích này có thể thay đổi trong tương lai. Trong nghiên cứu này, việc tiêu thụ năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch, cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, và mối quan hệ của nó với các biến số khác như sự phụ thuộc vào năng lượng và tỷ lệ năng lượng tái tạo trong tổng tiêu thụ năng lượng cuối cùng đã được phân tích cho 29 quốc gia châu Âu. Hơn nữa, có thể kết luận rằng nhiều quốc gia châu Âu vẫn phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch. Không phát hiện ra sự khác biệt đáng kể nào khi áp dụng bài kiểm tra Kruskal–Wallis đối với tiêu thụ nội địa bình quân đầu người. Có thể ước tính rằng đến năm 2050 (theo kịch bản Jazz), chỉ còn khoảng 14% trữ lượng dầu đã được chứng minh, 72% trữ lượng than đã được chứng minh và 18% trữ lượng khí đã được chứng minh. Với trữ lượng nhỏ của các quốc gia châu Âu về nhiên liệu hóa thạch, nếu họ cần sử dụng, chúng sẽ nhanh chóng biến mất.

Các hệ thống lưu trữ năng lượng pin đã thu hút sự quan tâm ngày càng tăng để hỗ trợ lưới điện trong các nhiệm vụ ứng dụng khác nhau. Đặc biệt, các hệ thống dựa trên pin lithium-ion đã phát triển nhanh chóng với một loạt các công nghệ pin và kiến trúc hệ thống khác nhau có sẵn trên thị trường. Ở phía ứng dụng, các nhiệm vụ khác nhau trong việc triển khai lưu trữ yêu cầu các tính năng khác nhau của hệ thống lưu trữ. Bài tổng quan này nhằm phục vụ như một hướng dẫn cho sự lựa chọn tốt nhất về công nghệ pin, thiết kế hệ thống và vận hành cho các hệ thống lưu trữ dựa trên lithium-ion để phù hợp với một ứng dụng hệ thống cụ thể. Bắt đầu với cái nhìn tổng quan về các công nghệ pin lithium-ion và các đặc tính của chúng liên quan đến hiệu suất và tuổi thọ, thiết kế hệ thống lưu trữ được phân tích chi tiết dựa trên đánh giá các dự án thực tế. Các ứng dụng hệ thống lưu trữ điển hình được phân nhóm và phân loại liên quan đến các thách thức đặt ra cho hệ thống pin. Các công cụ mô hình hóa công khai cho phân tích kỹ thuật và kinh tế được trình bày. Một phân tích ngắn gọn về các phương pháp tối ưu hóa nhằm chỉ ra các thách thức và các kỹ thuật giải pháp tiềm năng cho việc kích thước hệ thống, vị trí và vận hành phân phối. Đối với tất cả các lĩnh vực được xem xét trong bài viết này, những cải tiến dự kiến và các phát triển tương lai có thể được làm nổi bật. Để khai thác toàn bộ tiềm năng của các hệ thống lưu trữ pin tĩnh và nhằm tăng cường khả năng sinh lời của hệ thống, nghiên cứu trong tương lai nên nhằm đến một phương pháp tiếp cận tổng thể ở cấp hệ thống, kết hợp không chỉ việc tinh chỉnh hiệu suất ở cấp độ tế bào pin và phân tích cẩn thận các yêu cầu ứng dụng, mà còn xem xét việc chọn lựa đúng các thành phần phụ của hệ thống lưu trữ cũng như một chiến lược vận hành hệ thống tối ưu hóa.

Sản xuất kinh tế và, nói chung, hầu hết các xã hội toàn cầu, phụ thuộc chủ yếu vào nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch đang bị cạn kiệt. Có nhiều lo ngại trong số các nhà khoa học tài nguyên, nếu không nói là phần lớn các nhà kinh tế, về việc liệu các tín hiệu thị trường hoặc phân tích chi phí - lợi ích dựa trên giá cả ngày nay có đủ để hướng dẫn các quyết định của chúng ta về tương lai năng lượng hay không. Những hoài nghi và mối lo ngại này đã gia tăng trong suốt sự gia tăng giá dầu từ năm 2005 đến 2008 và sự sụp đổ của thị trường vào năm 2008 sau đó, nhưng có thể liên quan. Chúng tôi tin rằng phân tích Tỷ suất Lợi nhuận Năng lượng (EROI) cung cấp một cách tiếp cận hữu ích để xem xét những ưu điểm và bất lợi của các loại nhiên liệu khác nhau và cũng mở ra khả năng nhìn vào tương lai bằng những cách mà thị trường dường như không thể thực hiện. Mục tiêu của bài báo này là xem xét việc áp dụng lý thuyết EROI vào cả lĩnh vực tự nhiên và kinh tế, và đánh giá sơ bộ mức EROI tối thiểu mà một xã hội phải đạt được từ việc khai thác năng lượng để hỗ trợ các hoạt động kinh tế và chức năng xã hội liên tục. Trong quá trình này, chúng tôi tính toán một cách tiếp cận căn bản đầu tiên về mức EROI tối thiểu cho xã hội hiện tại và một số hậu quả khi mà mức tối thiểu đó đang được tiếp cận. Lý thuyết về mức EROI tối thiểu được thảo luận ở đây, mô tả ý tưởng gần như hiển nhiên nhưng vẫn rất quan trọng rằng để bất kỳ sinh thể hoặc hệ thống nào tồn tại hoặc phát triển, nó phải nhận được nhiều năng lượng hơn là năng lượng mà nó sử dụng để thu được năng lượng đó, có thể đặc biệt quan trọng. Do đó, bất kỳ sinh thể hoặc hệ thống cụ thể nào cũng phải tuân theo một "Định luật về EROI Tối thiểu", mà chúng tôi tính toán cho cả dầu và ethanol từ ngô là khoảng 3:1 tại điểm khai thác/đầu vào nông trại. Vì phần lớn các loại nhiên liệu sinh học đều có EROI nhỏ hơn 3:1 nên chúng phải được trợ cấp bởi nhiên liệu hóa thạch để có thể hữu ích.

Tác động tiêu cực của ngành công nghiệp ô tô đến biến đổi khí hậu có thể được giải quyết bằng cách chuyển từ những chiếc xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang xe điện chạy bằng pin không phát thải. Tuy nhiên, việc áp dụng chúng chủ yếu phụ thuộc vào mức độ sẵn sàng chi trả cho chi phí bổ sung của ắc quy dẫn động. Mục tiêu của bài báo này là dự đoán chi phí của một bộ pin vào năm 2030 khi xem xét hai khía cạnh: đầu tiên, một thập kỷ nghiên cứu sẽ đảm bảo có sự cải thiện trong khoa học vật liệu làm thay đổi thành phần hóa học của pin. Thứ hai, xem xét sự giảm giá của chi phí sản xuất, sự trưởng thành của thị trường và quá trình chuyển đổi sang một tình huống sản xuất đại trà. Chi phí của pin Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC) (Catot: NMC 6:2:2; Anot: than chì) cũng như pin lithium-ion dựa trên silicon (Catot: NMC 6:2:2; Anot: hợp kim silicon), dự kiến sẽ xuất hiện trên thị trường trong vòng 10 năm, sẽ được dự đoán để giải quyết khía cạnh đầu tiên. Khía cạnh thứ hai sẽ được xem xét bằng cách kết hợp các tính toán chi phí dựa trên quy trình với các đường cong học tập, xem xét đến sự gia tăng của thị trường pin. Rào cản giá 100 đô la/kWh sẽ được đạt tới lần lượt trong khoảng thời gian từ 2020-2025 đối với pin lithium-ion dựa trên silicon và từ 2025-2030 đối với pin NMC, điều này sẽ thúc đẩy toàn cầu việc chấp nhận xe điện.

Mục tiêu của nghiên cứu này là nghiên cứu cấu trúc và các tính chất vật lý hóa học của biochar được chiết xuất từ cành cây táo (ATBs), việc tái chế này là rất quan trọng cho sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp táo. Các cành cây táo được thu thập từ các vườn táo nằm ở cao nguyên Weibei thuộc Cao nguyên Loess và được nhiệt phân ở các nhiệt độ 300, 400, 500 và 600 °C (BC300, BC400, BC500 và BC600). Những kỹ thuật phân tích khác nhau đã được sử dụng để xác định đặc trưng của các loại biochar khác nhau. Cụ thể, các phân tích gần đúng và phân tích thành phần đã được thực hiện. Hơn nữa, các tính chất hình thái và kết cấu cũng được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), chuẩn độ Boehm và đo áp suất nitơ. Ngoài ra, tính ổn định nhiệt của biochar cũng được nghiên cứu thông qua phân tích trọng lượng nhiệt. Kết quả cho thấy rằng nhiệt độ tăng lên làm tăng hàm lượng carbon cố định (C), hàm lượng C và khoáng vô cơ (K, P, Fe, Zn, Ca, Mg), trong khi đó, sản lượng, hàm lượng chất bay hơi (VM), O và H, khả năng trao đổi cation, và tỷ lệ O/C và H/C giảm. So sánh giữa các mẫu cho thấy pH và hàm lượng tro cao nhất được quan sát ở BC500. Số lượng nhóm chức axit giảm theo nhiệt độ nhiệt phân, đặc biệt là các nhóm chức cacboxylic. Ngược lại, một xu hướng ngược lại được tìm thấy cho các nhóm chức bazơ. Ở nhiệt độ cao hơn, diện tích bề mặt Brunauer–Emmett–Teller (BET) và thể tích lỗ rỗng cao hơn chủ yếu là do sự gia tăng diện tích bề mặt lỗ vi và thể tích lỗ vi. Thêm vào đó, tính ổn định nhiệt của biochar cũng tăng lên theo nhiệt độ. Vì vậy, nhiệt độ nhiệt phân có ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tính chất của biochar, và do đó, biochar có thể được sản xuất bằng cách thay đổi nhiệt độ nhiệt phân để đáp ứng tốt hơn các ứng dụng của nó.

Pyrolysis xúc tác là một phương pháp chuyển đổi nhiệt hóa hứa hẹn cho sinh khối lignocellulosic, sản xuất các hóa chất và nhiên liệu tương thích với cơ sở hạ tầng hóa dầu hiện tại. Những điều chỉnh xúc tác đối với dầu bio-oil trong quá trình pyrolysis nhắm đến việc loại bỏ và thay thế oxy cũng như các chức năng chứa oxy, bên cạnh việc tăng tỷ lệ hydro trên carbon của các sản phẩm cuối cùng. Tiến bộ gần đây đã tập trung vào cả quá trình khử oxy bằng hydro và sự hidro hóa bio-oil bằng cách sử dụng nhiều loại xúc tác kim loại, cũng như sản xuất các hợp chất thơm từ bio-oil bằng cách sử dụng zeolit nứt. Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các xúc tác đa chức năng được sử dụng tại chỗ, hưởng lợi từ những ưu điểm của cả khử oxy bằng hydro và nứt zeolit. Việc phát triển các xúc tác mạnh mẽ, có độ chọn lọc cao sẽ giúp đạt được mục tiêu sản xuất nhiên liệu thay thế và hàng hóa hóa dầu từ gỗ và các dòng sinh khối lignocellulosic khác. Bài báo hiện tại sẽ xem xét những phát triển này thông qua việc tổng hợp các tài liệu hiện có.

Các pin vi sinh vật (MFCs) là thiết bị có khả năng sử dụng sự trao đổi chất của vi khuẩn để sản xuất dòng điện từ một loạt các chất hữu cơ. Nhờ vào tiềm năng sản xuất năng lượng bền vững từ chất thải hữu cơ, nghiên cứu trong lĩnh vực này đã gia tăng trong vài năm qua. Dù có những triển vọng lớn, chỉ có một vài pin vi sinh vật từ trầm tích biển được sử dụng thực tế, cung cấp điện cho các thiết bị có công suất thấp. Để cải thiện công nghệ MFC, cần có sự hiểu biết về những hạn chế và vi sinh vật học của các hệ thống này. Một số nhà nghiên cứu đang phát hiện ra rằng giá trị lớn nhất của công nghệ MFC có thể không phải là sản xuất điện mà chính là khả năng phân hủy chất thải và hóa chất độc hại của các vi sinh vật gắn liền với điện cực. Chúng tôi kết luận rằng để phát triển thêm các ứng dụng MFC, cần tập trung nhiều hơn vào việc hiểu các quá trình vi sinh vật trong các hệ thống MFC.

Trong lưới điện thông minh, một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng nhất là dự đoán tải; nó bao gồm từ các phân tích chuỗi thời gian truyền thống đến các phương pháp học máy gần đây và chủ yếu tập trung vào việc dự đoán tiêu thụ điện tích hợp. Tuy nhiên, tầm quan trọng của quản lý năng lượng phía cầu, bao gồm dự đoán tải cá nhân, đang trở nên ngày càng quan trọng. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất các mô hình dự đoán tải dựa trên mạng nơ-ron sâu (DNN) và áp dụng chúng vào cơ sở dữ liệu tải thực nghiệm phía cầu. DNN được đào tạo theo hai cách khác nhau: một là máy Boltzmann bị hạn chế trước khi đào tạo và hai là sử dụng đơn vị tuyến tính điều chỉnh mà không cần đào tạo trước. Các mô hình dự đoán DNN được đào tạo bằng dữ liệu tiêu thụ điện của từng khách hàng và các yếu tố khí tượng khu vực. Để xác minh hiệu suất của DNN, các kết quả dự đoán được so với một mạng nơ-ron nông (SNN), một mô hình Holt-Winters hai mùa (DSHW) và mô hình trung bình di chuyển tích hợp tự hồi quy (ARIMA). Sai số phần trăm trung bình tuyệt đối (MAPE) và sai số căn bậc hai tương đối (RRMSE) được sử dụng để xác nhận. Kết quả của chúng tôi cho thấy DNN cho ra các dự đoán chính xác và mạnh mẽ so với các mô hình dự đoán khác, ví dụ, MAPE và RRMSE giảm tối đa 17% và 22% so với SNN và 9% và 29% so với DSHW.