Этаноловое топливо — это топливо , содержащее этиловый спирт , тот же тип спирта , который содержится в алкогольных напитках . Чаще всего используется в качестве моторного топлива , главным образом как биотопливная добавка к бензину .
Во всем мире используются несколько распространенных топливных смесей этанола . Использование чистого водного или безводного этанола в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) возможно только в том случае, если двигатели спроектированы или модифицированы для этой цели. Безводный этанол можно смешивать с бензином (бензином) для использования в бензиновых двигателях, но с высоким содержанием этанола только после модификации двигателя для измерения увеличенного объема топлива, поскольку чистый этанол содержит только 2/3 энергии эквивалентного объема чистого бензина. Смеси этанола с высоким содержанием этанола используются в некоторых гоночных двигателях, поскольку очень высокое октановое число этанола совместимо с очень высокими степенями сжатия.
Первым серийным автомобилем, работающим полностью на этаноле, был Fiat 147 , представленный в 1978 году в Бразилии компанией Fiat . Этанол обычно производится из биомассы, такой как кукуруза или сахарный тростник . Мировое производство этанола для транспортного топлива утроилось в период с 2000 по 2007 год с 17 × 10 9 литров (4,5 × 10 9 галлонов США; 3,7 × 10 9 имп галлонов) до более чем 52 × 10 9 литров (14 × 10 9 галлонов США; 11 × 10 9 имп гал). С 2007 по 2008 год доля этанола в мировом использовании бензинового топлива увеличилась с 3,7% до 5,4%. [1] В 2011 году мировое производство этанольного топлива достигло 8,46 × 10 9 литров (2,23 × 10 9 галлонов США; 1,86 × 10 9 имп галлонов), при этом ведущими производителями являются Соединенные Штаты Америки и Бразилия, на долю которых приходится 62,2% и 25%. мирового производства соответственно. [2] Производство этанола в США достигло 57,54 × 10 9 литров (15,20 × 10 9 галлонов США; 12,66 × 10 9 имп галлонов) в мае 2017 года. [3]
Этаноловое топливо имеет значение « бензинового галлонного эквивалента » (GGE) 1,5, т.е. для замены энергии 1 объема бензина требуется в 1,5 раза больший объем этанола. [4] [5]
Топливо на основе этанола широко используется в Бразилии , США и Европе (см. также Топливо на основе этанола по странам ). [2] Большинство автомобилей, находящихся сегодня на дорогах США, могут работать на смесях, содержащих до 15% этанола , [6] и этанол составлял 10% поставок бензинового топлива в США, полученных из внутренних источников в 2011 году. [2] Некоторые гибкие автомобили, работающие на топливе, могут использовать до 100% этанола.
С 1976 года правительство Бразилии сделало обязательным смешивание этанола с бензином, а с 2007 года легальная смесь составляет около 25% этанола и 75% бензина (E25). [7] К декабрю 2011 года парк Бразилии насчитывал 14,8 миллионов автомобилей и легких грузовиков, работающих на гибком топливе [8] [9] и 1,5 миллиона мотоциклов на гибком топливе [10] [11] [12] , которые регулярно используют чистое топливо на основе этанола (известное как E100 ).
Биоэтанол – это форма возобновляемой энергии , которую можно производить из сельскохозяйственного сырья . Его можно производить из очень распространенных культур , таких как конопля , сахарный тростник , картофель , маниока и кукуруза . Были серьезные споры о том, насколько полезен биоэтанол в замене бензина. Опасения по поводу его производства и использования связаны с ростом цен на продукты питания из-за большого количества пахотных земель, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, [13] , а также баланса энергии и загрязнения всего цикла производства этанола, особенно из кукурузы. [14] [15]
Во время этанолового брожения глюкоза и другие сахара в кукурузе (или сахарном тростнике , или других культурах) превращаются в этанол и углекислый газ .
Ферментация этанола не является на 100% селективной в отношении побочных продуктов, таких как уксусная кислота и гликоли. В основном они удаляются при очистке этанола. Ферментация происходит в водном растворе. Полученный раствор имеет содержание этанола около 15%. Этанол впоследствии выделяют и очищают путем сочетания адсорбции и дистилляции.
Во время сгорания этанол реагирует с кислородом с образованием углекислого газа, воды и тепла:
Молекулы крахмала и целлюлозы представляют собой цепочки молекул глюкозы. Также возможно производить этанол из целлюлозных материалов. Однако для этого требуется предварительная обработка, которая расщепляет целлюлозу на молекулы глюкозы и других сахаров, которые впоследствии могут подвергаться ферментации. Полученный продукт называется целлюлозным этанолом с указанием его источника.
Этанол также получают в промышленных масштабах из этилена путем гидратации двойной связи в присутствии катализатора и высокой температуры.
Большая часть этанола производится путем ферментации.
Около 5% этанола, произведенного в мире в 2003 году, на самом деле было нефтепродуктом. [16] Его получают путем каталитической гидратации этилена с серной кислотой в качестве катализатора . Его также можно получить через этилен или ацетилен , из карбида кальция , угля , нефтяного газа и других источников. Ежегодно производится два миллиона коротких тонн (1 786 000 длинных тонн; 1 814 000 тонн) этанола, полученного из нефти. Основные поставщики — заводы в США, Европе и ЮАР. [17] Этанол, полученный из нефти (синтетический этанол), химически идентичен биоэтанолу и может быть дифференцирован только с помощью радиоуглеродного анализа. [18]
Биоэтанол обычно получают в результате переработки углеродсодержащего сырья . Сельскохозяйственное сырье считается возобновляемым, поскольку оно получает энергию от Солнца посредством фотосинтеза, при условии, что все минералы, необходимые для роста (такие как азот и фосфор), возвращаются в землю. Этанол может быть произведен из различного сырья, такого как сахарный тростник , жом , мискантус , сахарная свекла , сорго , зерно, просо , ячмень , конопля , кенаф , картофель , сладкий картофель , маниока , подсолнечник , фрукты , патока , кукуруза , солома , зерно , пшеница , солома , хлопок , другая биомасса , а также многие виды целлюлозных отходов и отходов уборки, в зависимости от того, что имеет лучшую оценку от скважины к колесу .
В 2008 году компания Algenol анонсировала альтернативный процесс производства биоэтанола из водорослей . Вместо того, чтобы выращивать водоросли , а затем собирать и ферментировать их, водоросли растут под солнечным светом и непосредственно производят этанол, который удаляется, не убивая водоросли. Утверждается, что этот процесс может производить 6000 галлонов США на акр (5000 британских галлонов на акр; 56 000 литров на гектар) в год по сравнению с 400 галлонами США на акр (330 имп галлонов на акр; 3700 л/га) при производстве кукурузы. [19] В 2015 году проект был закрыт. [20]
В настоящее время [ когда? ] процессы первого поколения для производства этанола из кукурузы используют лишь небольшую часть растения кукурузы: зерна кукурузы берутся из растения кукурузы, и только крахмал, который составляет около 50% массы сухого зерна, преобразуется в спирт этиловый. В стадии разработки находятся два типа процессов второго поколения. Первый тип использует ферменты и дрожжевую ферментацию для преобразования растительной целлюлозы в этанол, тогда как второй тип использует пиролиз для преобразования всего растения либо в жидкую бионефть , либо в синтез-газ . Процессы второго поколения также можно использовать с такими растениями, как травы, древесина или сельскохозяйственные отходы, такие как солома.
Хотя существуют различные способы производства этанолового топлива , наиболее распространенным способом является ферментация.
Основными этапами крупномасштабного производства этанола являются: микробная ( дрожжевая ) ферментация сахаров, дистилляция , обезвоживание (требования различаются, см. Топливные смеси этанола ниже) и денатурация (необязательно). Перед ферментацией некоторые культуры требуют осахаривания или гидролиза углеводов, таких как целлюлоза и крахмал, до сахаров. Осахаривание целлюлозы называется целлюлолизом (см. Целлюлозный этанол ). Ферменты используются для превращения крахмала в сахар. [21]
Этанол получают путем микробной ферментации сахара. Микробная ферментация в настоящее время работает только непосредственно с сахарами . Два основных компонента растений, крахмал и целлюлоза, состоят из сахаров и, в принципе, могут быть преобразованы в сахара для ферментации. В настоящее время экономично перерабатывать можно только часть сахара (например, сахарного тростника) и крахмала (например, кукурузы).
Существует интерес к целлюлозному этанолу , полученному в результате расщепления растительной целлюлозы до сахаров и преобразования сахаров в этанол. [22] Однако целлюлозный этанол в настоящее время неэкономичен и не применяется в коммерческих целях. Согласно отчету Международного энергетического агентства за 2006 год , целлюлозный этанол может сыграть важную роль в будущем. [23]
Чтобы этанол можно было использовать в качестве топлива, необходимо удалить твердые вещества дрожжей и большую часть воды. После брожения затор нагревают, чтобы испарился этанол. [24] Этот процесс, известный как дистилляция , отделяет этанол, но его чистота ограничена 95–96% из-за образования низкокипящего азеотропа вода-этанол с максимальным (95,6% м/м (96,5% об/м). v) этанол и 4,4 мас.% (3,5% об./об.) воды). Эта смесь называется водным этанолом и может использоваться отдельно в качестве топлива, но в отличие от безводного этанола, водный этанол не смешивается с бензином во всех соотношениях, поэтому водная фракция обычно удаляется при дальнейшей обработке для сжигания в сочетании с бензином в бензиновых двигателях. . [25]
Существует три процесса дегидратации для удаления воды из азеотропной смеси этанола и воды. Первый процесс, использовавшийся на многих первых заводах по производству топливного этанола, называется азеотропной дистилляцией и заключается в добавлении к смеси бензола или циклогексана . При добавлении этих компонентов к смеси образуется гетерогенная азеотропная смесь в равновесии пар-жидкость-жидкость , которая при перегонке образует безводный этанол в кубе колонны и паровую смесь воды, этанола и циклогексана/бензола.
При конденсации он превращается в двухфазную жидкую смесь. Более тяжелая фаза, бедная азеосорбентом (бензолом или циклогексаном), отгоняется от азеосорбента и возвращается в сырье, а более легкая фаза с конденсатом реэкстракции возвращается во вторую колонну. Другой ранний метод, называемый экстрактивной дистилляцией , заключается в добавлении тройного компонента, который увеличивает относительную летучесть этанола. Когда тройная смесь перегоняется, в верхнем потоке колонны образуется безводный этанол.
Поскольку все больше внимания уделяется экономии энергии, было предложено множество методов, которые вообще исключают дистилляцию для обезвоживания. Из этих методов появился третий метод, который применяется на большинстве современных заводов по производству этанола. В этом новом процессе используются молекулярные сита для удаления воды из топливного этанола. В этом процессе пары этанола под давлением проходят через слой шариков молекулярного сита. Размер пор шариков позволяет адсорбировать воду, исключая при этом этанол. По истечении определенного периода времени слой регенерируют под вакуумом или в потоке инертной атмосферы (например, N 2 ) для удаления адсорбированной воды. Часто используются два слоя, так что один может поглощать воду, пока другой регенерируется. Эта технология обезвоживания может обеспечить экономию энергии на 3000 БТЕ/галлон (840 кДж / л) по сравнению с более ранней азеотропной дистилляцией. [26]
Недавние исследования показали, что полное обезвоживание перед смешиванием с бензином не всегда необходимо. Вместо этого азеотропную смесь можно смешивать непосредственно с бензином, чтобы фазовое равновесие жидкость-жидкость могло способствовать удалению воды. Двухступенчатая противоточная установка смесителей-отстойников позволяет добиться полного восстановления этанола в топливную фазу с минимальными энергозатратами. [27]
Этанол гигроскопичен , то есть поглощает водяной пар непосредственно из атмосферы. Поскольку абсорбированная вода снижает топливную ценность этанола и может вызвать фазовое расслоение смесей этанола и бензина (что приводит к остановке двигателя), контейнеры с этаноловым топливом следует хранить плотно закрытыми. Такая высокая смешиваемость с водой означает, что этанол не может эффективно транспортироваться по современным трубопроводам , как жидкие углеводороды, на большие расстояния. [28]
Доля воды, которую может содержать этанол-бензиновое топливо без разделения фаз, увеличивается с процентным содержанием этанола. [29] Например, E30 может содержать до примерно 2% воды. Если этанола содержится более примерно 71%, остаток может представлять собой любую долю воды или бензина, и разделения фаз не происходит. Расход топлива снижается с увеличением содержания воды. Повышенная растворимость воды с более высоким содержанием этанола позволяет помещать E30 и гидратированный этанол в один резервуар, поскольку любая их комбинация всегда приводит к образованию одной фазы. Несколько меньше воды переносится при более низких температурах. Для E10 оно составляет около 0,5% об./об. при 21 °C и снижается примерно до 0,23% об./об. при –34 °C. [30]
В то время как системы производства биодизеля уже много лет продаются домашним и деловым пользователям, коммерческие системы производства этанола, предназначенные для конечного потребителя, отстают на рынке. В 2008 году две разные компании анонсировали системы производства этанола в домашних условиях. Усовершенствованная топливная система AFS125 [31] от Allard Research and Development способна производить как этанол, так и биодизель в одной машине, тогда как E-100 MicroFueler [32] от E-Fuel Corporation предназначена только для этанола.
Этанол содержит примерно на 34% меньше энергии на единицу объема, чем бензин, и поэтому теоретически сжигание чистого этанола в транспортном средстве уменьшает запас хода на единицу измерения на 34% при той же экономии топлива по сравнению со сжиганием чистого бензина. Однако, поскольку этанол имеет более высокое октановое число , двигатель можно сделать более эффективным, повысив степень сжатия. [33] [34]
Для Е10 (10 % этанола и 90 % бензина) прирост расхода топлива у немодифицированных автомобилей невелик (до 2,8 %) по сравнению с обычным бензином [35] и еще меньше (1–2 %) по сравнению с кислородсодержащими. и измененные смеси. [36] Для E85 (85% этанол) эффект становится значительным. E85 имеет меньший пробег, чем бензин, и требует более частой дозаправки. Фактическая производительность может отличаться в зависимости от автомобиля. Согласно тестам EPA для всех моделей E85 2006 года, средняя экономия топлива для автомобилей E85 была на 25,56% ниже, чем у неэтилированного бензина. [37] При сравнении цен следует учитывать пробег современных транспортных средств, работающих на гибком топливе, согласно рейтингу EPA [38] , но E85 представляет собой высокоэффективное топливо с октановым числом около 94–96, и его следует сравнивать с топливом E85. премия. [39] Согласно RACQ , этанол не подходит для большинства самолетов , а также для некоторых мотоциклов и небольших двигателей, [40] хотя Embraer EMB 202 Ipanema является примером самолета, специально разработанного для использования этанолового топлива. в некоторых вариантах.
Смеси с высоким содержанием этанола создают проблему для достижения достаточного давления паров , чтобы топливо испарилось и вызвало воспламенение в холодную погоду (поскольку этанол имеет тенденцию увеличивать энтальпию испарения топлива [41] ). При давлении паров ниже 45 кПа запуск холодного двигателя становится затруднительным. [42] Чтобы избежать этой проблемы при температуре ниже 11 °C (52 °F ) и снизить повышенные выбросы этанола в холодную погоду, рынки США и Европы приняли E85 в качестве максимальной смеси для использования в своих транспортных средствах с гибким топливом. , и они оптимизированы для работы в таком сочетании. В местах с суровой холодной погодой стоимость смеси этанола в США имеет сезонное снижение до E70 для этих очень холодных регионов, хотя она по-прежнему продается как E85. [43] [44] В местах, где зимой температура опускается ниже -12 °C (10 °F ), рекомендуется установить систему подогрева двигателя, как на бензиновых автомобилях, так и на автомобилях E85. В Швеции наблюдается аналогичное сезонное снижение, но в зимние месяцы содержание этанола в смеси снижается до E75 . [44] [45]
Бразильские автомобили с гибким топливом могут работать на смесях этанола до E100 , то есть водного этанола (с содержанием воды до 4%), что приводит к более быстрому падению давления паров по сравнению с автомобилями E85. В результате бразильские автомобили с гибким двигателем имеют небольшой резервуар для вторичного бензина, расположенный рядом с двигателем. Во время холодного запуска впрыскивается чистый бензин, чтобы избежать проблем с запуском при низких температурах. Это положение особенно необходимо для пользователей южных и центральных регионов Бразилии, где зимой температура обычно опускается ниже 15 °C (59 °F ). В 2009 году было выпущено поколение улучшенных двигателей с гибким двигателем, которое устраняет необходимость во вторичном резервуаре для хранения газа. [46] [47] В марте 2009 года Volkswagen do Brasil выпустил Polo E-Flex , первую бразильскую модель гибкого топлива без вспомогательного бака для холодного запуска. [48] [49]
Во многих странах автомобили обязаны работать на смесях этанола. Все бразильские легковые автомобили рассчитаны на работу на смеси этанола с содержанием этанола до 25% ( E25 ), а с 1993 года федеральный закон требует использования смесей с содержанием этанола от 22% до 25%, а с середины июля 2011 года требуется 25% . 50] В Соединенных Штатах все автомобили малой грузоподъемности рассчитаны на нормальную работу на смеси этанола с содержанием 10% ( E10 ). В конце 2010 года более 90 процентов всего бензина, продаваемого в США, было смешано с этанолом. [51] В январе 2011 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) выпустило отказ от разрешения на продажу до 15% этанола, смешанного с бензином ( E15 ), только для автомобилей и легких пикапов 2001 модельного года или новее. [52] [53]
Начиная с 1999 модельного года, все большее количество автомобилей в мире производится с двигателями, которые могут работать на любом топливе от 0% до 100% этанола без каких-либо модификаций. Многие легковые автомобили и легкие грузовики (класс, включающий минивэны , внедорожники и пикапы ) спроектированы для использования в качестве транспортных средств с гибким топливом, использующих смеси этанола до 85% ( E85 ) в Северной Америке и Европе и до 100% (E100) в Бразилии. . В более старых моделях системы двигателей содержали датчики алкоголя в топливе и/или датчики кислорода в выхлопных газах, которые передают данные в компьютер управления двигателем для регулировки впрыска топлива для достижения стехиометрического (отсутствие остаточного топлива или свободного кислорода в выхлопных газах) воздуха. соотношение топлива к топливу для любой топливной смеси. В более новых моделях датчики алкоголя были удалены, и для оценки содержания алкоголя компьютер использует только обратную связь от датчиков кислорода и потока воздуха. Компьютер управления двигателем также может регулировать (упреждать) угол опережения зажигания для достижения более высокой мощности без преждевременного зажигания, когда он прогнозирует, что в сгораемом топливе присутствует более высокое процентное содержание спирта. Этот метод подкреплен современными датчиками детонации, которые используются в большинстве высокопроизводительных бензиновых двигателей, независимо от того, предназначены они для использования этанола или нет, и которые обнаруживают преждевременное зажигание и детонацию.
В июне 2021 года Индия перенесла к 2025 году свою цель по внедрению автомобильного топлива с содержанием 20% этанола. Уровень смешивания этанола с топливом в Индии (на момент пересмотра целевого показателя) составляет 8%, и к 2022 году этот показатель должен увеличиться до 10% на основании «Дорожной карты по смешиванию этанола в Индии на 2020-25 годы», опубликованной 5 июня (World Environment День ) премьер-министром Нарендрой Моди . Правительство ожидает, что компании по сбыту нефти, такие как Indian Oil Corp (IOC) и Hindustan Petroleum Corp Ltd (HPCL), будут поставлять топливо с содержанием 20% этанола с апреля 2023 года. Ожидается, что такие штаты, как Махараштра и Уттар-Прадеш, где этанол находится в избытке, будут первыми, кто примет более высокую норму смешивания этанола с топливом. [54] [55] Индия также уделяет приоритетное внимание внедрению транспортных средств, совместимых с топливом, смешанным с этанолом. С марта 2021 года автопроизводители обязаны указывать совместимость новых транспортных средств с этанолом, а двигатели должны быть оптимально рассчитаны на использование топлива, содержащего 20% смеси этанола. Правительство ожидает, что автопроизводители начнут производство транспортных средств, совместимых с топливом, содержащим этанол, до апреля 2022 года . [54] Однако защитники окружающей среды обеспокоены тем, что повышенная цель Индии по смешиванию этанола может стимулировать выращивание водоемких культур, таких как сахарный тростник и рис, и предполагают, что правительство должно сосредоточить внимание на культурах с более низким потреблением воды, таких как просо, поскольку Индия уже сталкивается с острой нехваткой воды. [55]
С 1989 года в Швеции также работают этаноловые двигатели, основанные на дизельном принципе. [56] Они используются в основном в городских автобусах, а также в грузовых автомобилях и сборщиках мусора. Двигатели производства Scania имеют измененную степень сжатия, а используемое топливо (известное как ED95) представляет собой смесь 93,6% этанола, 3,6% присадки, улучшающей воспламенение, и 2,8% денатурантов . [57] Присадка, улучшающая воспламенение, обеспечивает воспламенение топлива в цикле сгорания дизельного топлива. Тогда также можно использовать энергоэффективность дизельного принципа с этанолом. Эти двигатели использовались в Соединенном Королевстве компанией Reading Buses , но в настоящее время использование биоэтанольного топлива постепенно прекращается.
Исследование MIT 2004 года и более ранняя статья, опубликованная Обществом автомобильных инженеров, выявили метод, позволяющий использовать характеристики топливного этанола значительно более эффективно, чем смешивание его с бензином. Этот метод открывает возможность использования алкоголя для достижения определенного улучшения экономической эффективности гибридного электромобиля. Усовершенствование заключается в использовании двухтопливного прямого впрыска чистого спирта (или азеотропа, или E85) и бензина в любом соотношении до 100% того и другого в малолитражном двигателе с турбонаддувом и высокой степенью сжатия, имеющем аналогичные характеристики. к двигателю, имеющему вдвое больший объем. Каждое топливо перевозится отдельно, а бак для спирта гораздо меньшего размера. Двигатель с высокой степенью сжатия (для более высокого КПД) работает на обычном бензине в крейсерских условиях малой мощности. Алкоголь впрыскивается непосредственно в цилиндры (при этом впрыск бензина уменьшается) только тогда, когда необходимо подавить детонацию, например, при значительном ускорении. Непосредственный впрыск в цилиндр повышает и без того высокое октановое число этанола до эффективного значения 130. Расчетное общее сокращение потребления бензина и выбросов CO 2 составляет 30%. Время окупаемости потребительских затрат показывает улучшение 4:1 по сравнению с турбодизельным двигателем и улучшение 5:1 по сравнению с гибридным двигателем. Также удается избежать проблем абсорбции воды в предварительно смешанный бензин (вызывающих разделение фаз), проблем с подачей смеси в различных соотношениях и запуска в холодную погоду. [58] [59]
В исследовании 2008 года сложная система управления двигателем и усиленная рециркуляция выхлопных газов позволили достичь степени сжатия 19,5 при использовании топлива в диапазоне от чистого этанола до E50. Был достигнут тепловой КПД примерно до уровня дизеля. [60] Это приведет к тому, что экономия топлива чистого автомобиля, работающего на этаноле, будет примерно такой же, как у автомобиля, сжигающего бензин.
В июне 2016 года Nissan объявил о планах по разработке автомобилей на топливных элементах , работающих на этаноле, а не на водороде , топливе, которое предпочитают другие производители автомобилей, которые разработали и коммерциализировали автомобили на топливных элементах, такие как Hyundai Tucson FCEV , Toyota Mirai и Honda FCX. Ясность . Основное преимущество этого технического подхода заключается в том, что развернуть заправочную инфраструктуру будет дешевле и проще, чем создавать инфраструктуру, необходимую для доставки водорода под высоким давлением, поскольку строительство каждой водородной заправочной станции обходится в 1–2 миллиона долларов США . [61]
Nissan планирует создать технологию, которая будет использовать жидкий этанол в качестве источника для генерации водорода внутри самого автомобиля. Эта технология использует тепло для преобразования этанола в водород для питания так называемого твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Топливный элемент вырабатывает электроэнергию для подачи энергии на электродвигатель, приводящий в движение колеса, через батарею, которая справляется с пиковой нагрузкой и сохраняет регенерированную энергию. Транспортное средство будет включать в себя резервуар для смеси воды и этанола, которая подается в бортовой риформер, который расщепляет ее на чистый водород и углекислый газ. По данным Nissan, жидкое топливо может представлять собой смесь этанола и воды в соотношении 55:45. Nissan рассчитывает коммерциализировать свою технологию к 2020 году. [61]
В 2011 году крупнейшими производителями этанольного топлива в мире были США с 13,9 × 10 9 галлонов США (5,3 × 10 10 литров ; 1,16 × 10 10 британских галлонов ) и Бразилия с 5,6 × 10 9 галлонов США (2,1 × 10 10 литров; 4,7). × 10 9 британских галлонов), что вместе составляет 87,1% мирового производства 22,36 × 10 9 галлонов США (8,46 × 10 10 литров; 1,862 × 10 10 британских галлонов). [2] Сильные стимулы в сочетании с другими инициативами по развитию промышленности приводят к появлению молодых производств этанола в таких странах, как Германия, Испания, Франция, Швеция, Китай, Таиланд, Канада, Колумбия, Индия, Австралия и некоторые страны Центральной Америки.
† экспериментальный, не находится в серийном производстве
†† в зависимости от способа производства
Вся биомасса проходит хотя бы некоторые из этих этапов: ее необходимо вырастить, собрать, высушить, ферментировать, перегнать и сжечь. Все эти шаги требуют ресурсов и инфраструктуры. Общее количество энергии, вложенной в процесс, по сравнению с энергией, выделяемой при сжигании полученного этанольного топлива, известно как энергетический баланс (или « энергия, возвращаемая на вложенную энергию »). Цифры, собранные в отчете National Geographic за 2007 год [65], указывают на скромные результаты для кукурузного этанола , производимого в США: одна единица энергии ископаемого топлива требуется для создания 1,3 энергетических единиц из полученного этанола. Энергетический баланс этанола из сахарного тростника, производимого в Бразилии, более благоприятный: для создания 8 из этанола требуется одна единица энергии ископаемого топлива. Оценки энергетического баланса составить нелегко, поэтому было создано множество таких противоречивых отчетов. Например, отдельное исследование сообщает, что производство этанола из сахарного тростника, для продуктивного роста которого требуется тропический климат, возвращает от 8 до 9 единиц энергии на каждую затраченную единицу по сравнению с кукурузой, которая возвращает только около 1,34 единицы топливной энергии. за каждую единицу затраченной энергии. [66] Исследование Калифорнийского университета в Беркли, проведенное в 2006 году, после анализа шести отдельных исследований пришло к выводу, что для производства этанола из кукурузы требуется гораздо меньше нефти, чем для производства бензина. [67]
Углекислый газ , парниковый газ , выделяется во время ферментации и сгорания. Это компенсируется большим поглощением углекислого газа растениями по мере их роста для производства биомассы. [68] При производстве определенными методами этанол выделяет меньше парниковых газов, чем бензин. [69] [70]
По сравнению с обычным неэтилированным бензином , этанол является источником топлива, не содержащим твердых частиц, который сгорает с кислородом с образованием углекислого газа, угарного газа, воды и альдегидов . Закон о чистом воздухе требует добавления оксигенатов для сокращения выбросов угарного газа в Соединенных Штатах. Добавка МТБЭ в настоящее время постепенно прекращается из-за загрязнения грунтовых вод, поэтому этанол становится привлекательной альтернативной добавкой. Современные методы производства включают загрязнение воздуха от производителя макроудобрений, таких как аммиак.
Исследование ученых-атмосферников из Стэнфордского университета показало, что топливо E85 увеличивает риск смертности от загрязнения воздуха по сравнению с бензином на 9% в Лос-Анджелесе, США: очень большом городском мегаполисе с автомобильным движением, что является наихудшим сценарием. [71] Уровень озона значительно повышается, что приводит к увеличению фотохимического смога и усугублению медицинских проблем, таких как астма. [72] [73]
Бразилия сжигает значительные объемы биотоплива этанола. Были проведены исследования газовой хроматографии окружающего воздуха в Сан-Паулу, Бразилия, и по сравнению с Осакой, Япония, где не сжигается этанольное топливо. В Бразилии содержание формальдегида в атмосфере было на 160% выше, а содержание ацетальдегида — на 260%. [74] [ нужно обновить ]
Расчет того, сколько именно углекислого газа производится при производстве биоэтанола, является сложным и неточным процессом и сильно зависит от метода производства этанола и допущений, сделанных при расчете. Расчет должен включать в себя:
Такой расчет может учитывать или не учитывать следующие эффекты:
На графике справа показаны цифры, рассчитанные правительством Великобритании для целей обязательства по возобновляемому транспортному топливу . [75]
В научной статье ERG Калифорнийского университета в Беркли, опубликованной в январе 2006 года, после анализа большого количества исследований было оценено снижение выбросов парниковых газов из-за кукурузного этанола на 13%. В поправке к этой статье, опубликованной вскоре после публикации, они снизили оценочную стоимость до 7,4%. В обзорной статье National Geographic (2007 г.) [65] приводятся цифры о снижении выбросов CO 2 при производстве и использовании кукурузного этанола на 22% по сравнению с бензином, а при производстве этанола из тростника - на 56%. Автопроизводитель Ford сообщает о 70-процентном сокращении выбросов CO 2 при использовании биоэтанола по сравнению с бензином для одного из своих автомобилей с гибким топливом. [76]
Дополнительная сложность заключается в том, что производство требует обработки новой почвы [77] , что приводит к единовременному выбросу ПГ, для выравнивания которого могут потребоваться десятилетия или столетия сокращения выбросов ПГ. [78] Например, переустройство пастбищ под производство кукурузы для производства этанола требует около столетия ежегодной экономии, чтобы компенсировать выбросы парниковых газов при первоначальной обработке почвы. [77]
Для производства сельскохозяйственного спирта необходимо крупномасштабное сельское хозяйство, а для этого требуются значительные площади обрабатываемых земель. Исследователи из Университета Миннесоты сообщают, что если бы вся кукуруза, выращенная в США, использовалась для производства этанола, она вытеснила бы 12% текущего потребления бензина в США. [79] Есть утверждения, что земли для производства этанола приобретаются в результате вырубки лесов, в то время как другие отмечают, что территории, в настоящее время поддерживающие леса, обычно не подходят для выращивания сельскохозяйственных культур. [80] [81] В любом случае сельское хозяйство может повлечь за собой снижение плодородия почвы из-за сокращения содержания органических веществ, [82] снижения доступности и качества воды, увеличения использования пестицидов и удобрений, а также потенциального перемещения местные сообщества. [83] Новые технологии позволяют фермерам и переработчикам производить ту же продукцию, используя меньше ресурсов. [79]
Производство целлюлозного этанола — это новый подход, который может облегчить землепользование и связанные с этим проблемы. Целлюлозный этанол можно производить из любого растительного материала, что потенциально удвоит урожайность, чтобы свести к минимуму конфликт между потребностями в пище и потребностями в топливе. Вместо использования только побочных продуктов крахмала от помола пшеницы и других культур, производство целлюлозного этанола максимально использует все растительные материалы, включая глютен. Этот подход будет иметь меньший углеродный след , поскольку количество энергоемких удобрений и фунгицидов останется прежним при более высоком выходе годного к употреблению материала. Технология производства целлюлозного этанола в настоящее время находится на стадии коммерциализации . [84] [23]
Согласно анализу, опубликованному в журнале Science в мае 2009 года, преобразование биомассы в электричество для зарядки электромобилей может быть более «климатически благоприятным» вариантом транспорта, чем использование биомассы для производства этанольного топлива. [ 85] Исследователи продолжают поиск более экономически эффективных разработок. как в целлюлозном этаноле, так и в современных автомобильных аккумуляторах. [86]
На каждый миллиард галлонов этанольного эквивалента топлива, произведенного и сожженного в США, совокупные затраты на изменение климата и здравоохранение составляют 469 миллионов долларов США для бензина, 472–952 миллиона долларов США для кукурузного этанола, в зависимости от источника тепла биоперерабатывающего завода (природный газ, кукурузная солома или уголь) и технологии, но только 123–208 миллионов долларов на целлюлозный этанол в зависимости от сырья (прерийная биомасса, мискантус, кукурузная солома или просо). [87]
По мере увеличения выхода этанола или внедрения другого сырья производство этанола может стать более экономически целесообразным в США. В настоящее время с использованием биотехнологий проводятся исследования по повышению выхода этанола из каждой единицы кукурузы. Кроме того, пока цены на нефть остаются высокими, экономное использование другого сырья, такого как целлюлоза , становится жизнеспособным. Побочные продукты, такие как солома или древесная щепа, могут быть преобразованы в этанол. Быстрорастущие виды, такие как просо , можно выращивать на землях, не подходящих для других товарных культур, и они дают высокий уровень этанола на единицу площади. [65]
Одним из объяснений масштабного производства этанола в США является его выгода для энергетической безопасности за счет смещения потребности в нефти иностранного производства в пользу источников энергии, производимых внутри страны. [105] [106] Производство этанола требует значительного количества энергии, но нынешнее производство в США получает большую часть этой энергии из угля, природного газа и других источников, а не из нефти. [107] Поскольку 66% нефти, потребляемой в США, импортируется по сравнению с чистым избытком угля и всего 16% природного газа (данные за 2006 год), [108] замещение нефтяного топлива этанолом дает чистый переход от иностранных к внутренним источникам энергии в США.
Согласно анализу, проведенному в 2008 году Университетом штата Айова, рост производства этанола в США привел к тому, что розничные цены на бензин стали на 0,29–0,40 доллара США за галлон ниже, чем могли бы быть в противном случае. [109]
Леон Дюрей квалифицировался третьим на автогонке Indianapolis 500 1927 года на автомобиле, работающем на этаноле. [110] В сезоне 2006 года в серии IndyCar использовалась смесь с содержанием 10% этанола, а в 2007 году — смесь с содержанием 98%.
Американский чемпионат спортивных автомобилей серии Ле-Ман представил E10 в сезоне 2007 года для замены чистого бензина. В сезоне 2008 года E85 допустили в класс GT и на него начали переходить команды. [111]
В 2011 году три национальные серии серийных автомобилей NASCAR потребовали перехода с бензина на E15, смесь неэтилированного гоночного топлива Sunoco GTX и 15% этанола. [112]
Чемпионат Австралии по суперкарам V8 использует в качестве гоночного топлива Shell E85.
Чемпионат Бразилии по серийным автомобилям работает на чистом этаноле E100.
Этаноловое топливо также может быть использовано в качестве ракетного топлива . По состоянию на 2010 год [обновлять]небольшие количества этанола используются в легких ракетных самолетах . [113]
Project Gaia — это американская неправительственная некоммерческая организация, занимающаяся созданием коммерчески жизнеспособного домашнего рынка топлива на основе спирта в Эфиопии и других странах развивающегося мира . Проект рассматривает спиртовое топливо как решение проблемы нехватки топлива, ущерба окружающей среде и проблем общественного здравоохранения, вызванных традиционным приготовлением пищи в развивающихся странах. Ориентируясь на бедные и маргинализированные сообщества, которые сталкиваются с проблемами со здоровьем из-за приготовления пищи на загрязняющих огонь огнях, Gaia в настоящее время работает в Эфиопии , Нигерии , Бразилии , Гаити и на Мадагаскаре , а также находится на стадии планирования проектов в ряде других стран. [114]
Исследования этанола сосредоточены на альтернативных источниках, новых катализаторах и процессах производства. INEOS производила этанол из растительного сырья и древесных отходов. [115] Бактерия E.coli , генетически модифицированная с использованием генов и ферментов рубца коровы, может производить этанол из кукурузной соломы . [116] Другими потенциальными источниками сырья являются бытовые отходы, переработанные продукты, рисовая шелуха , выжимки сахарного тростника , древесная щепа, просо и двуокись углерода . [117] [118]
