Этаноловое топливо — это топливо, содержащее этиловый спирт , тот же тип спирта , который содержится в алкогольных напитках . Чаще всего используется в качестве моторного топлива , в основном как биотопливная добавка к бензину .
Несколько распространенных топливных смесей этанола используются по всему миру. 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. Высокопроцентные смеси 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 галлонов). 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 этанолового топлива достигло 8,46 × 10 9 литров (2,23 × 10 9 галлонов США; 1,86 × 10 9 имп галлонов), при этом Соединенные Штаты Америки и Бразилия были крупнейшими производителями, на долю которых приходилось 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 « эквивалентности галлона бензина » (GGE), равное 1,5, т.е. для замены энергии 1 объема бензина требуется в 1,5 раза больше объема этанола. [4] [5]
Топливо с примесью этанола широко используется в Бразилии , США и Европе (см. также Топливо с примесью этанола по странам ). [2] Большинство автомобилей на дорогах США сегодня могут работать на смесях с содержанием этанола до 15% , [6] а этанол составлял 10% от поставок бензинового топлива в США, полученных из внутренних источников в 2011 году. [2] Некоторые транспортные средства с гибким топливом могут использовать до 100% этанола.
С 1976 года правительство Бразилии сделало обязательным смешивание этанола с бензином, а с 2007 года разрешенная смесь составляет около 25% этанола и 75% бензина (E25). [7] К декабрю 2011 года в Бразилии был автопарк из 14,8 миллионов автомобилей и легких грузовиков с гибким топливом [8] [9] и 1,5 миллиона мотоциклов с гибким топливом [10] [11] [12] , которые регулярно используют чистое этаноловое топливо (известное как E100 ).
Биоэтанол — это форма возобновляемой энергии , которая может быть произведена из сельскохозяйственного сырья . Его можно производить из очень распространенных культур, таких как конопля , сахарный тростник , картофель , маниока и кукуруза . Было много споров о том, насколько полезен биоэтанол в качестве замены бензину. 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 с энергетическим и загрязняющим балансом всего цикла производства этанола, особенно из кукурузы. [14] [15]
В процессе этаноловой ферментации глюкоза и другие сахара в кукурузе (или сахарном тростнике, или других культурах) преобразуются в этанол и углекислый газ .
Ферментация этанола не является на 100% селективной с побочными продуктами, такими как уксусная кислота и гликоли. Они в основном удаляются во время очистки этанола. Ферментация происходит в водном растворе. Полученный раствор имеет содержание этанола около 15%. Этанол затем выделяется и очищается путем комбинации адсорбции и дистилляции.
Во время горения этанол реагирует с кислородом, образуя углекислый газ, воду и тепло:
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 другие сахара, которые впоследствии могут быть подвергнуты ферментации. Полученный продукт называется целлюлозным этанолом , что указывает на его источник.
В промышленности этанол также получают 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 был нефтепродуктом. [16] Он производится 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 т) этанола, полученного из нефти. Основными поставщиками являются заводы в Соединенных Штатах, Европе и Южной Африке. [17] Этанол, полученный из нефти (синтетический этанол), химически идентичен биоэтанолу и может быть дифференцирован только с помощью радиоуглеродного датирования. [18]
Биоэтанол обычно получают путем преобразования углеродного сырья . Сельскохозяйственное сырье считается возобновляемым, поскольку оно получает энергию от солнца с помощью фотосинтеза, при условии, что все минералы, необходимые для роста (такие как азот и фосфор), возвращаются в землю. Этанол можно производить из различных видов сырья, таких как сахарный тростник , жом , мискантус , сахарная свекла , сорго , зерно, просо, ячмень , конопля , кенаф , картофель , батат, маниока , подсолнечник , фрукты , патока , кукуруза , солома , зерно , пшеница , солома , хлопок , другая биомасса , а также многие виды отходов целлюлозы и сбора урожая, в зависимости от того, какой из них имеет лучшую оценку « от колодца до колеса » .
В 2008 году компания Algenol объявила об альтернативном процессе производства биоэтанола из водорослей . Вместо того, чтобы выращивать водоросли , а затем собирать и ферментировать их, водоросли растут на солнечном свете и производят этанол напрямую, который удаляется, не убивая водоросли. Утверждается, что процесс может производить 6000 галлонов США на акр (5000 имперских галлонов на акр; 56 000 литров на гектар) в год по сравнению с 400 галлонами США на акр (330 имп галлонов/акр; 3700 л/га) для производства кукурузы. [19] В 2015 году проект был закрыт. [20]
В настоящее время [ когда? ] процессы первого поколения для производства этанола из кукурузы используют только небольшую часть растения кукурузы: зерна кукурузы берутся из растения кукурузы, и только крахмал, который составляет около 50% сухой массы зерна, преобразуется в этанол. Разрабатываются два типа процессов второго поколения. Первый тип использует ферменты и дрожжевую ферментацию для преобразования растительной целлюлозы в этанол, в то время как второй тип использует пиролиз для преобразования всего растения либо в жидкое биомасло , либо в синтетический газ . Процессы второго поколения также могут использоваться с такими растениями, как травы, древесина или сельскохозяйственные отходы, такие как солома.
Хотя существуют различные способы производства этанолового топлива , наиболее распространенным является ферментация.
Основные этапы крупномасштабного производства этанола: микробная ( дрожжевая ) ферментация сахаров, дистилляция , дегидратация (требования различаются, см. Топливные смеси этанола ниже) и денатурация (необязательно). Перед ферментацией некоторые культуры требуют осахаривания или гидролиза углеводов, таких как целлюлоза и крахмал, в сахара. Сахарификация целлюлозы называется целлюлолизом (см. целлюлозный этанол ). Ферменты используются для преобразования крахмала в сахар. [21]
Этанол производится путем микробной ферментации сахара. Микробная ферментация в настоящее время работает только с сахарами напрямую . Два основных компонента растений, крахмал и целлюлоза, оба состоят из сахаров и, в принципе, могут быть преобразованы в сахара для ферментации. В настоящее время только части сахара (например, сахарный тростник) и крахмала (например, кукуруза) могут быть экономически преобразованы.
Существует интерес к целлюлозному этанолу, полученному путем 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 стать важным в будущем. [23]
Чтобы этанол можно было использовать в качестве топлива, необходимо удалить твердые частицы дрожжей и большую часть воды. После ферментации сусло нагревают , чтобы этанол испарился. [24] Этот процесс, известный как дистилляция , отделяет этанол, но его чистота ограничена 95–96% из-за образования низкокипящего водно-этанольного азеотропа с максимальным (95,6% м/м (96,5% об./об.) этанола и 4,4% м/м (3,5% об./об.) воды). Эта смесь называется водным этанолом и может использоваться как топливо отдельно, но в отличие от безводного этанола, водным этанолом нельзя смешивать с бензином во всех соотношениях, поэтому водную фракцию обычно удаляют при дальнейшей обработке для сжигания в сочетании с бензином в бензиновых двигателях. [25]
Существует три процесса дегидратации для удаления воды из азеотропной смеси этанола/воды. Первый процесс, используемый на многих ранних заводах по производству топливного этанола, называется азеотропной дистилляцией и заключается в добавлении бензола или циклогексана к смеси. Когда эти компоненты добавляются к смеси, она образует гетерогенную азеотропную смесь в равновесии пар-жидкость-жидкость , которая при дистилляции дает безводный этанол в нижней части колонны и паровую смесь воды, этанола и циклогексана/бензола.
При конденсации это становится двухфазной жидкой смесью. Более тяжелая фаза, бедная азеотропообразователем (бензолом или циклогексаном), отделяется от азеотропообразователя и возвращается в исходное сырье, в то время как более легкая фаза с конденсатом от десорбции возвращается во вторую колонну. Другой ранний метод, называемый экстрактивной дистилляцией , заключается в добавлении тройного компонента, который увеличивает относительную летучесть этанола. Когда тройная смесь перегоняется, она производит безводный этанол в верхнем потоке колонны.
С учетом того, что все больше внимания уделяется экономии энергии, было предложено много методов, которые полностью исключают дистилляцию для дегидратации. Из этих методов появился третий метод, который был принят большинством современных заводов по производству этанола. Этот новый процесс использует молекулярные сита для удаления воды из топливного этанола. В этом процессе пары этанола под давлением проходят через слой молекулярного сита. Поры в слое имеют размер, позволяющий адсорбировать воду, исключая этанол. Через некоторое время слой регенерируется под вакуумом или в потоке инертной атмосферы (например, N 2 ) для удаления адсорбированной воды. Часто используются два слоя, так что один из них доступен для адсорбции воды, пока другой регенерируется. Эта технология дегидратации может обеспечить экономию энергии в размере 3000 БТЕ/галлон (840 кДж / л) по сравнению с более ранней азеотропной дистилляцией. [26]
Недавние исследования показали, что полная дегидратация перед смешиванием с бензином не всегда необходима. Вместо этого азеотропную смесь можно смешивать непосредственно с бензином, чтобы равновесие фаз жидкость-жидкость могло помочь в устранении воды. Двухступенчатая противоточная установка смесительно-отстойных танков может обеспечить полное восстановление этанола в топливной фазе с минимальным потреблением энергии. [27]
Этанол гигроскопичен , то есть он поглощает водяной пар непосредственно из атмосферы. Поскольку поглощенная вода разбавляет топливную ценность этанола и может вызвать разделение фаз смесей этанола и бензина (что приводит к остановке двигателя), контейнеры с этанольным топливом должны быть плотно закрыты. Такая высокая смешиваемость с водой означает, что этанол нельзя эффективно транспортировать 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 2% воды. Если этанола больше, чем 71%, остаток может быть любой пропорцией воды или бензина, и разделения фаз не происходит. Пробег топлива уменьшается с увеличением содержания воды. Повышенная растворимость воды с более высоким содержанием этанола позволяет заливать E30 и гидратированный этанол в один бак, поскольку любая их комбинация всегда приводит к одной фазе. Несколько меньше воды допускается при более низких температурах. Для E10 это около 0,5% об./об. при 21 °C и уменьшается до около 0,23% об./об. при −34 °C. [30]
В то время как системы производства биодизеля продавались для домашних и коммерческих пользователей в течение многих лет, коммерческие системы производства этанола, предназначенные для конечного потребителя, отставали на рынке. В 2008 году две разные компании анонсировали системы производства этанола в домашних масштабах. AFS125 Advanced Fuel System [31] от Allard Research and Development способна производить как этанол, так и биодизель в одной машине, в то время 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 в теории сжигание чистого этанола в транспортном средстве уменьшает запас хода на единицу измерения на 34%, учитывая ту же экономию топлива , по сравнению со сжиганием чистого бензина. Однако, поскольку этанол имеет более высокое октановое число , двигатель можно сделать более эффективным, увеличив его степень сжатия. [33] [34]
Для E10 (10% этанола и 90% бензина) увеличение расхода топлива в немодифицированных транспортных средствах невелико (до 2,8%) по сравнению с обычным бензином [35] и еще меньше (1–2%) по сравнению с кислородсодержащими и реформулированными смесями. [36] Для E85 (85% этанола) эффект становится значительным. E85 обеспечивает меньший пробег, чем бензин, и требует более частой дозаправки. Фактическая производительность может варьироваться в зависимости от транспортного средства. Согласно тестам EPA для всех моделей E85 2006 года, средняя экономия топлива для транспортных средств E85 была на 25,56% ниже, чем для неэтилированного бензина. [37] Оцененный EPA пробег текущих транспортных средств с гибким топливом в США [38] следует учитывать при сравнении цен, но E85 является высокопроизводительным топливом с октановым числом около 94–96 и его следует сравнивать с премиальным. [39] По данным RACQ , этанол не подходит для большинства самолетов, а также для некоторых мотоциклов и небольших двигателей, [40] хотя Embraer EMB 202 Ipanema является примером самолета, который был специально разработан для использования с этаноловым топливом в некоторых вариантах.
Смеси с высоким содержанием этанола представляют проблему для достижения достаточного давления паров для испарения топлива и зажигания в холодную погоду (так как этанол имеет тенденцию увеличивать энтальпию испарения топлива [41] ). Когда давление паров ниже 45 кПа , запуск холодного двигателя становится затруднительным. [42] Чтобы избежать этой проблемы при температурах ниже 11 °C (52 °F ), а также для снижения более высоких выбросов этанола в холодную погоду, как на рынках США, так и Европы принята E85 в качестве максимальной смеси для использования в транспортных средствах с гибким топливом, и они оптимизированы для работы на такой смеси. В местах с суровой холодной погодой этанольная смесь в США имеет сезонное снижение до E70 для этих очень холодных регионов, хотя она по-прежнему продается как E85. [43] [44] В местах, где температура опускается ниже −12 °C (10 °F ) зимой, рекомендуется устанавливать систему подогрева двигателя, как для бензиновых, так и для транспортных средств с E85. В Швеции наблюдается похожее сезонное снижение, но содержание этанола в смеси снижается до E75 в зимние месяцы. [44] [45]
Бразильские автомобили с гибким топливом могут работать на смесях этанола вплоть до E100 , который представляет собой водный этанол (с содержанием воды до 4%), что приводит к более быстрому падению давления паров по сравнению с автомобилями E85. В результате бразильские автомобили с гибким топливом построены с небольшим вторичным резервуаром для бензина, расположенным 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 температура обычно опускается ниже 15 °C (59 °F ) зимой. Улучшенное поколение двигателей с гибким топливом было запущено в 2009 году, что исключает необходимость во вторичном резервуаре для хранения газа. [46] [47] В марте 2009 года Volkswagen do Brasil выпустил Polo E-Flex , первую бразильскую модель с гибким топливом без вспомогательного бака для холодного запуска. [48] [49]
Во многих странах автомобили обязаны работать на смесях этанола. Все бразильские легковые автомобили построены для работы на смеси этанола до 25% ( E25 ), а с 1993 года федеральный закон требует смесей от 22% до 25% этанола, с 25% требуемым с середины июля 2011 года. [50] В Соединенных Штатах все легковые автомобили построены для нормальной работы на смеси этанола 10% ( E10 ). В конце 2010 года более 90 процентов всего бензина, проданного в США, было смешано с этанолом. [51] В январе 2011 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) выдало разрешение на продажу до 15% этанола, смешанного с бензином ( E15 ), только для автомобилей и легких пикапов с модельным годом 2001 или новее. [52] [53]
Начиная с модельного года 1999, все большее количество транспортных средств в мире производится с двигателями, которые могут работать на любом топливе от 0% этанола до 100% этанола без модификации. Многие автомобили и легкие грузовики (класс, включающий минивэны , внедорожники и пикапы ) спроектированы как транспортные средства с гибким топливом, использующие смеси этанола до 85% ( E85 ) в Северной Америке и Европе и до 100% (E100) в Бразилии. В более старых модельных годах их системы двигателей содержали датчики алкоголя в топливе и/или датчики кислорода в выхлопных газах, которые обеспечивают входные данные для компьютера управления двигателем для регулировки впрыска топлива для достижения стехиометрического (без остаточного топлива или свободного кислорода в выхлопных газах) соотношения воздуха к топливу для любой топливной смеси. В более новых моделях датчики алкоголя были удалены, и компьютер использовал только обратную связь датчиков кислорода и расхода воздуха для оценки содержания алкоголя. Компьютер управления двигателем также может регулировать (опережать) момент зажигания для достижения более высокой производительности без предварительного зажигания, когда он прогнозирует, что в сжигаемом топливе присутствует более высокий процент спирта. Этот метод подкреплен усовершенствованными датчиками детонации, используемыми в большинстве высокопроизводительных бензиновых двигателей, независимо от того, предназначены ли они для использования этанола или нет, которые обнаруживают предварительное зажигание и детонацию.
В июне 2021 года Индия перенесла на 2025 год свою цель по внедрению 20%-ной смеси этанола с автомобильным топливом. Уровень смешивания этанола в топливе в Индии (на момент пересмотра этого целевого показателя) составляет 8%, и должен увеличиться до 10% к 2022 году на основе «Дорожной карты по смешиванию этанола в Индии на 2020–2025 годы», опубликованной 5 июня ( Всемирный день окружающей среды ) 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 20%-ное топливо с добавлением этанола с апреля 2023 года. Ожидается, что такие штаты, как Махараштра и Уттар-Прадеш, где этанол в избытке, первыми примут более высокий уровень смешивания этанола с топливом. [54] [55] Индия также отдает приоритет выпуску транспортных средств, совместимых с топливом с добавлением этанола. С марта 2021 года автопроизводители обязаны указывать совместимость новых транспортных средств с этанолом, а двигатели должны быть оптимально спроектированы для использования 20%-ного этанолсодержащего топлива. Правительство ожидает, что автопроизводители начнут производство транспортных средств, совместимых с этанолсодержащим топливом, до апреля 2022 года. [54] Однако экологи опасаются, что возросшая цель Индии по смешиванию этанола может стимулировать выращивание культур с большим потреблением воды, таких как сахарный тростник и рис, и предлагают правительству сосредоточиться на культурах с меньшим потреблением воды, таких как просо, поскольку Индия уже сталкивается с острой нехваткой воды. [55]
С 1989 года в Швеции также работают двигатели на этаноле, работающие на дизельном принципе. [56] Они используются в основном в городских автобусах, но также в развозных грузовиках и мусоровозах. Двигатели, производимые Scania , имеют измененную степень сжатия, а используемое топливо (известное как ED95) представляет собой смесь 93,6% этанола и 3,6% улучшителя зажигания и 2,8% денатурантов . [57] Улучшитель зажигания позволяет топливу воспламеняться в цикле сгорания дизельного двигателя. Затем также можно использовать энергоэффективность дизельного принципа с этанолом. Эти двигатели использовались в Соединенном Королевстве компанией Reading Buses, но использование биоэтанольного топлива в настоящее время постепенно прекращается.
Исследование Массачусетского технологического института 2004 года и более ранняя статья, опубликованная Обществом инженеров-автомобилестроителей, выявили метод использования характеристик топливного этанола значительно более эффективно, чем смешивание его с бензином. Метод представляет возможность использования спирта для достижения определенного улучшения по сравнению с экономической эффективностью гибридного электромобиля. Улучшение заключается в использовании двухтопливного прямого впрыска чистого спирта (или азеотропа или E85) и бензина в любом соотношении до 100% любого из них в турбированном двигателе с высокой степенью сжатия и малым рабочим объемом, имеющем производительность, аналогичную двигателю с вдвое большим рабочим объемом. Каждое топливо перевозится отдельно, с гораздо меньшим баком для спирта. Двигатель с высокой степенью сжатия (для более высокой эффективности) работает на обычном бензине в условиях маломощного крейсерского режима. Спирт напрямую впрыскивается в цилиндры (и одновременно уменьшается впрыск бензина) только при необходимости подавления «стука», например, при значительном ускорении. Прямой впрыск в цилиндр повышает и без того высокое октановое число этанола до эффективных 130. Расчетное общее снижение потребления бензина и выбросов CO2 составляет 30%. Время окупаемости потребительских затрат показывает улучшение 4:1 по сравнению с турбодизелем и улучшение 5:1 по сравнению с гибридом. Проблемы поглощения воды в предварительно смешанном бензине (вызывающее разделение фаз), проблемы с поставками множественных соотношений смесей и запуск в холодную погоду также избегаются. [58] [59]
В исследовании 2008 года сложные элементы управления двигателем и увеличенная рециркуляция выхлопных газов позволили достичь степени сжатия 19,5 при использовании топлива от чистого этанола до E50. Была достигнута тепловая эффективность примерно до дизельного топлива. [60] Это привело бы к экономии топлива транспортного средства, работающего на чистом этаноле, примерно такой же, как и при сжигании бензина.
В июне 2016 года Nissan объявила о планах по разработке автомобилей на топливных элементах , работающих на этаноле, а не на водороде , топливе, которое предпочитают другие автопроизводители, разработавшие и выпустившие на рынок автомобили на топливных элементах, такие как Hyundai Tucson FCEV , Toyota Mirai и Honda FCX Clarity . Главное преимущество этого технического подхода заключается в том, что будет дешевле и проще развернуть заправочную инфраструктуру, чем настраивать ту, которая необходима для доставки водорода под высоким давлением, поскольку строительство каждой водородной заправочной станции обойдется в 1–2 млн долларов США . [61]
Nissan планирует создать технологию, которая использует жидкое этанольное топливо в качестве источника для генерации водорода внутри самого автомобиля. Технология использует тепло для преобразования этанола в водород для питания так называемого твердооксидного топливного элемента (SOFC). Топливный элемент вырабатывает электричество для питания электродвигателя, приводящего в движение колеса, через аккумулятор, который обрабатывает пиковые потребности в мощности и хранит регенерированную энергию. Автомобиль будет включать бак для смеси воды и этанола, которая подается в бортовой реформер, который разделяет 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 вывести свою технологию на рынок к 2020 году. [61]
Крупнейшими производителями этанолового топлива в мире в 2011 году были США с 13,9 × 10 9 галлонов США (5,3 × 10 10 литров ; 1,16 × 10 10 имперских галлонов ) и Бразилия с 5,6 × 10 9 галлонов США (2,1 × 10 10 литров; 4,7 × 10 9 имперских галлонов), что в совокупности составило 87,1% мирового производства, составляющего 22,36 × 10 9 галлонов США (8,46 × 10 10 литров; 1,862 × 10 10 имперских галлонов). [2] Сильные стимулы в сочетании с другими инициативами по развитию отрасли способствуют развитию молодой этаноловой промышленности в таких странах, как Германия, Испания, Франция, Швеция, Китай, Таиланд, Канада, Колумбия, Индия, Австралия и некоторых странах Центральной Америки.
С 1970-х годов в Бразилии действует программа по производству этанолового топлива , которая позволила стране стать вторым по величине производителем этанола в мире (после США) и крупнейшим в мире экспортером. [65] Программа по производству этанолового топлива в Бразилии использует современное оборудование и дешевый сахарный тростник в качестве сырья, а остаточные отходы тростника ( жом ) используются для производства тепла и электроэнергии. [66] В Бразилии больше нет легковых автомобилей, работающих на чистом бензине. [67]
† экспериментальный, не в коммерческом производстве
†† в зависимости от способа производства
Вся биомасса проходит по крайней мере через некоторые из этих этапов: ее нужно вырастить, собрать, высушить, ферментировать, перегнать и сжечь. Все эти этапы требуют ресурсов и инфраструктуры. Общее количество энергии, вкладываемой в процесс, по сравнению с энергией, высвобождаемой при сжигании полученного этанолового топлива, известно как энергетический баланс (или « энергия, возвращаемая на вложенную энергию »). Цифры, собранные в отчете National Geographic за 2007 год [68], указывают на скромные результаты для кукурузного этанола, произведенного в США: для создания 1,3 единиц энергии из полученного этанола требуется одна единица энергии ископаемого топлива. Энергетический баланс для этанола из сахарного тростника, произведенного в Бразилии, более благоприятен: для создания 8 единиц из этанола требуется одна единица энергии ископаемого топлива. Оценки энергетического баланса нелегко получить, поэтому было составлено множество таких отчетов, которые являются противоречивыми. 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 единиц топливной энергии на каждую затраченную единицу энергии. [69] Исследование Калифорнийского университета в Беркли 2006 года после анализа шести отдельных исследований пришло к выводу, что производство этанола из кукурузы использует гораздо меньше нефти, чем производство бензина. [70]
Углекислый газ , парниковый газ , выделяется во время ферментации и сгорания. Это компенсируется большим поглощением углекислого газа растениями по мере их роста для производства биомассы. [71] При производстве определенными методами этанол выделяет меньше парниковых газов, чем бензин. [72] [73]
По сравнению с обычным неэтилированным бензином , этанол является источником горючего топлива без частиц, который сгорает с кислородом с образованием углекислого газа, оксида углерода, воды и альдегидов . Закон о чистом воздухе требует добавления оксигенатов для снижения выбросов оксида углерода в Соединенных Штатах. Добавка МТБЭ в настоящее время постепенно выводится из употребления из-за загрязнения грунтовых вод, поэтому этанол становится привлекательной альтернативной добавкой. Текущие методы производства включают загрязнение воздуха производителем макроэлементных удобрений, таких как аммиак.
Исследование, проведенное учеными-атмосферниками в Стэнфордском университете, показало, что топливо E85 увеличит риск смерти от загрязнения воздуха по сравнению с бензином на 9% в Лос-Анджелесе, США: очень большом городском мегаполисе с большим количеством автомобилей, что является наихудшим сценарием. [74] Уровень озона значительно повышается, тем самым увеличивая фотохимический смог и усугубляя такие медицинские проблемы, как астма. [75] [76]
Бразилия сжигает значительные объемы этанолового биотоплива. Газохроматографические исследования были проведены в атмосферном воздухе в Сан-Паулу, Бразилия, и сравнены с Осакой, Япония, где не сжигают этаноловое топливо. Атмосферный формальдегид был на 160% выше в Бразилии, а ацетальдегид был на 260% выше. [77] [ требуется обновление ]
Расчет точного количества углекислого газа, произведенного при производстве биоэтанола, является сложным и неточным процессом и сильно зависит от метода производства этанола и допущений, сделанных при расчете. Расчет должен включать:
Такой расчет может учитывать или не учитывать следующие эффекты:
График справа показывает цифры, рассчитанные правительством Великобритании для целей обязательства по возобновляемому транспортному топливу . [78]
В статье журнала Science от января 2006 года из ERG Калифорнийского университета в Беркли после обзора большого количества исследований было подсчитано, что сокращение выбросов парниковых газов от кукурузного этанола составит 13%. В поправке к этой статье, выпущенной вскоре после публикации, они снижают расчетное значение до 7,4%. Обзорная статья National Geographic (2007) [68] приводит цифры на 22% меньше выбросов CO2 при производстве и использовании кукурузного этанола по сравнению с бензином и на 56% меньше для тростникового этанола. Автопроизводитель Ford сообщает о 70% снижении выбросов CO2 при использовании биоэтанола по сравнению с бензином для одного из своих автомобилей с гибким топливом. [79]
Дополнительным осложнением является то, что производство требует обработки новой почвы [80] , что приводит к единовременному выбросу парниковых газов, для выравнивания которого могут потребоваться десятилетия или столетия сокращения выбросов парниковых газов. [81] Например, преобразование пастбищ в производство кукурузы для производства этанола требует около столетия ежегодной экономии, чтобы компенсировать выбросы парниковых газов при первоначальной обработке почвы. [80]
Крупномасштабное земледелие необходимо для производства сельскохозяйственного спирта, а это требует значительного количества возделываемых земель. Исследователи из Университета Миннесоты сообщают, что если бы вся кукуруза, выращиваемая в США, использовалась для производства этанола, это вытеснило бы 12% текущего потребления бензина в США. [82] Есть утверждения, что земли для производства этанола приобретаются путем вырубки лесов, в то время как другие наблюдали, что районы, в настоящее время поддерживающие леса, обычно не подходят для выращивания сельскохозяйственных культур. [83] [84] В любом случае, земледелие может повлечь за собой снижение плодородия почвы из-за сокращения органического вещества, [85] снижение доступности и качества воды, увеличение использования пестицидов и удобрений и потенциальное перемещение местных сообществ. [86] Новые технологии позволяют фермерам и переработчикам все больше производить ту же продукцию, используя меньше ресурсов. [82]
Производство целлюлозного этанола — это новый подход, который может облегчить землепользование и связанные с этим проблемы. Целлюлозный этанол может быть произведен из любого растительного материала, потенциально удваивая урожайность, в попытке минимизировать конфликт между потребностями в пище и топливе. Вместо использования только крахмальных побочных продуктов от измельчения пшеницы и других культур, производство целлюлозного этанола максимизирует использование всех растительных материалов, включая глютен. Этот подход будет иметь меньший углеродный след , поскольку количество энергоемких удобрений и фунгицидов остается прежним для более высокого выхода пригодного к использованию материала. Технология производства целлюлозного этанола в настоящее время находится на стадии коммерциализации . [87] [23]
Согласно анализу, опубликованному в журнале Science в мае 2009 года, преобразование биомассы в электричество для зарядки электромобилей может быть более «климатически чистым» вариантом транспортировки, чем использование биомассы для производства этанолового топлива. [88] Исследователи продолжают искать более экономически эффективные разработки как в области целлюлозного этанола, так и в области усовершенствованных автомобильных аккумуляторов. [89]
На каждый миллиард галлонов этанолового эквивалента топлива, произведенного и сожженного в США, совокупные затраты на изменение климата и здравоохранение составляют 469 миллионов долларов для бензина, 472–952 миллиона долларов для кукурузного этанола в зависимости от источника тепла биоперерабатывающего завода (природный газ, кукурузная солома или уголь) и технологии, но только 123–208 миллионов долларов для целлюлозного этанола в зависимости от исходного сырья (биомасса прерий, мискантус, кукурузная солома или просо). [90]
По мере повышения урожайности этанола или внедрения различных видов сырья производство этанола может стать более экономически целесообразным в США. В настоящее время ведутся исследования по повышению урожайности этанола с каждой единицы кукурузы с использованием биотехнологий. Кроме того, пока цены на нефть остаются высокими, становится жизнеспособным экономически выгодное использование других видов сырья, таких как целлюлоза . 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 получать высокие уровни этанола с единицы площади. [68]
Одним из обоснований обширного производства этанола в США является его выгода для энергетической безопасности , поскольку оно смещает потребность в некоторой части нефти, произведенной за рубежом, на внутренние источники энергии. [109] [110] Производство этанола требует значительных затрат энергии, но текущее производство в США получает большую часть этой энергии из угля, природного газа и других источников, а не из нефти. [111] Поскольку 66% потребляемой в США нефти импортируется по сравнению с чистым избытком угля и всего лишь 16% природного газа (данные за 2006 год), [112] замещение топлива на основе нефти этанолом приводит к чистому сдвигу 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 долл. США за галлон ниже, чем могли бы быть. [113]
Леон Дюрей квалифицировался третьим в автогонке Индианаполис 500 1927 года на автомобиле, работающем на этаноле. [114] В серии IndyCar в сезоне 2006 года была принята 10%-ная этаноловая смесь, а в 2007 году — 98%-ная.
Американский чемпионат по гонкам на спортивных автомобилях Le Mans Series представил E10 в сезоне 2007 года, чтобы заменить чистый бензин. В сезоне 2008 года E85 был разрешен в классе GT, и команды начали переходить на него. [115]
В 2011 году три национальные серии гоночных автомобилей NASCAR потребовали перехода с бензина на E15 — смесь неэтилированного гоночного топлива Sunoco GTX и 15% этанола. [116]
В чемпионате Австралии по гонкам на автомобилях V8 Supercar в качестве гоночного топлива используется Shell E85.
Чемпионат Бразилии по гонкам на серийных автомобилях проводится на чистом этаноле E100.
Этаноловое топливо также может использоваться в качестве ракетного топлива . С 2010 года [обновлять]небольшие количества этанола используются в легких ракетных гоночных самолетах . [117]
Project Gaia — это неправительственная некоммерческая организация США , занимающаяся созданием коммерчески жизнеспособного рынка для домохозяйств на основе спирта в Эфиопии и других странах развивающегося мира . Проект рассматривает спиртовое топливо как решение нехватки топлива, экологического ущерба и проблем общественного здравоохранения, вызванных традиционной кулинарией в развивающемся мире. Ориентируясь на бедные и маргинализированные сообщества, которые сталкиваются с проблемами со здоровьем из-за приготовления пищи на загрязняющих кострах, Gaia в настоящее время работает в Эфиопии , Нигерии , Бразилии , Гаити и Мадагаскаре , а также находится на стадии планирования проектов в нескольких других странах. [118]
Исследования этанола сосредоточены на альтернативных источниках, новых катализаторах и производственных процессах. INEOS производил этанол из растительного материала и древесных отходов. [119] Бактерия E.coli , генетически модифицированная с использованием генов и ферментов коровьего рубца , может производить этанол из кукурузной соломы . [120] Другие потенциальные виды сырья — это муниципальные отходы, переработанные продукты, рисовая шелуха , жом сахарного тростника , древесная щепа, просо и углекислый газ . [121] [122]
