减少甲烷排放是应对气候变化的首要任务之一，因为甲烷在大气中捕获热量的能力极强：在 20 年的时间尺度上，甲烷的温室效应是二氧化碳的 84 倍。
然而，作为天然气的主要成分，甲烷也是一种宝贵的燃料，同时是多种重要化学品的前体。利用甲烷排放来制造负碳材料的主要障碍在于，甲烷气体的人为排放源——如垃圾填埋场、农场以及油气井——通常规模较小且分布分散，而传统化工处理设施则庞大且集中。这使得捕获、运输和转化甲烷气体的成本高昂，难以承受。结果，大多数公司选择在排放地直接燃烧或“释放”甲烷，将其视为沉没成本和环境负担。
MIT 衍生公司 Emvolon 采用了一种全新的甲烷处理方式，将汽车发动机改造为模块化、低成本的化工装置。该公司的系统可以就地将甲烷气体转化为液体燃料，如甲醇和氨，这些燃料可以被直接使用或通过标准货车集装箱运输。
“我们将这视为一种化学制造的新方式。”Emvolon 联合创始人兼首席执行官 Emmanuel Kasseris（MIT 硕士 07 届，博士 11 届）表示，“我们从甲烷入手，因为甲烷是一种丰富的排放物，同时也是可以利用的资源。通过甲烷，我们可以同时解决两个问题：全球约 15% 的温室气体排放来自难以减排的领域，如航运、航空、重型卡车和铁路；另有约 15% 的排放来自分散的甲烷排放源，如垃圾填埋场和油井。”
通过利用批量生产的发动机并省去管道等基础设施的投资，该公司表示，甲烷转化的经济吸引力大幅提升，有望实现规模化应用。该系统还可以利用由间歇性可再生能源生产的绿色氢气，将其转化为氨，这种燃料同样可以用于化肥的脱碳生产。
“未来，我们将需要绿色燃料，因为你无法让大型船舶或飞机完全依赖电力——必须使用高能量密度、低碳足迹、低成本的液体燃料。”Kasseris 表示，“生产这些绿色燃料的能源资源要么是分布式的，例如甲烷，要么是可变的，比如风能。因此，不能只靠一个拥有独立邮编的庞大工厂。你要么需要分布式生产，要么需要可变性，而这两种方式都适合这种模块化设计。”
从疯狂的想法到一家企业
Kasseris 于 2004 年作为研究生来到 MIT 学习机械工程，当时他在 Sloan Automotive Lab 参与了一份关于交通运输未来的报告编写工作。在攻读博士期间，他为一个汽车和能源公司的联盟开发了一种提高内燃机燃油效率的新技术，毕业后便加入该联盟工作。
2014 年左右，他接到了 Leslie Bromberg（MIT 本科 73 届，博士 77 届）的联系。Bromberg 是一位拥有超过 100 项专利的连续发明家，在 MIT 等离子科学与聚变中心担任首席研究工程师近 50 年。
“Leslie 有一个疯狂的想法，就是将内燃机改造成一个反应器。”Kasseris 回忆道，“我在工业界工作时也曾考虑过这个想法，并且很喜欢，但当时的公司认为这项工作需要更多验证。”
Bromberg 通过一项由美国能源部资助的项目完成了验证。他在项目中使用柴油发动机进行甲烷“重整”，即一种高压化学反应，将甲烷与蒸汽和氧气结合生成氢气。这项工作让 Kasseris 印象深刻，并促使他在 2016 年重新回到 MIT 担任研究科学家。
“我们除了进行其他项目之外，还在这个想法上继续努力，最终到了我们决定从 MIT 获得授权并全力推进的阶段。”Kasseris 回忆道，“作为 MIT 的发明人，与 MIT 技术授权办公室合作非常容易。你可以获得低成本的授权选项，这对初创公司来说非常重要；一旦准备就绪，你就可以最终完成授权协议。可以说，MIT 在这个过程中起到了关键作用。”
Emvolon 继续与 MIT 的研究社区合作，赞助了与荣誉退休教授 John Heywood 的项目合作，并参与了 MIT 创业导师服务和 MIT 工业联络计划。
一台发动机驱动的化工厂
Emvolon 系统的核心是一台现成的汽车发动机，以“富燃料”模式运行，即燃料与空气的比例高于完全燃烧所需的比例。
“说起来简单，但这背后包含了大量知识产权，这正是 MIT 开发的成果。”Kasseris 表示，“与其将甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水，不如将其部分燃烧或部分氧化为一氧化碳和氢气，而这些是一系列化学品合成的基本原料。”
氢气和一氧化碳作为中间产物，通过进一步反应可以合成多种化学品。这些加工步骤就在发动机旁边完成，而发动机自身则提供所需的动力。每套 Emvolon 的独立系统都可以装入一个 40 英尺的集装箱内，每天可将 30 万标准立方英尺的甲烷气体转化为约 8 吨甲醇。
该公司首先选择绿色甲醇作为产品，因为它是航运和重型运输等难以减排行业的理想燃料，同时也是其他高价值化学品（如可持续航空燃料）的优秀原料。许多航运船舶已经改用绿色甲醇，以满足去碳化目标。
今年夏天，Emvolon 还获得了美国能源部的资助，用于改进其工艺，将太阳能和风能等能源转化为清洁液体燃料。
“我们希望扩展到其他化学品，例如氨，同时利用其他原料来源，如生物质和可再生电力产生的氢气，目前我们在这些方向上已经取得了可喜的成果。”Kasseris 说，“我们认为，这是一种为能源转型提供解决方案的好方法，同时在转型后期还能用于电子制造领域。”
具有扩展性的方法
Emvolon 已经在位于马萨诸塞州 Woburn 的 5000 平方英尺总部建成了一套系统，日生产绿色甲醇可达 6 桶。
“对于化学技术，人们经常讨论放大过程中的风险，但对于发动机来说，如果单缸发动机能正常工作，我们就知道多缸发动机也能行，”Kasseris 表示。“这只是工程问题。”
上个月，Emvolon 宣布与 Montauk Renewables 达成协议，在德克萨斯州的一处垃圾填埋场旁建造一台商业规模的示范装置，初期每年可生产多达 1.5 万加仑绿色甲醇，后期可扩大到每年 250 万加仑。通过扩展至 Montauk 的其他站点，这一项目的产量有望提升十倍。
“我们的整个流程是为能源转型设计的一种非常现实的方法。”Kasseris 说，“我们的解决方案旨在以市场当前能够接受的价格生产绿色燃料和化学品，而无需依赖补贴。通过将发动机用作化工厂，我们能够使单位产出的资本支出接近于大型工厂，但以模块化规模实现，能够直接位于低成本原料附近。此外，我们的模块化系统投资较小，仅需 100 万到 1000 万美元，可以在几周内单独部署，相较于耗时数年、成本数亿美元的大型化工厂建设项目，这种方法更快捷。”
原文链接：
https://news.mit.edu/2024/emvolon-turns-automotive-engines-into-green-fuel-chemical-plants-1119
