Кукурузный этанол — это этанол, произведенный из биомассы кукурузы , и является основным источником этанолового топлива в Соединенных Штатах , который должен смешиваться с бензином в соответствии со Стандартом возобновляемого топлива . Кукурузный этанол производится путем ферментации и перегонки этанола . Спорным является вопрос о том, приводит ли производство и использование кукурузного этанола к более низким выбросам парниковых газов , чем бензин. [1] [2] Примерно 45% посевных площадей кукурузы в США используются для производства этанола . [3]
С 2001 года производство кукурузного этанола увеличилось более чем в несколько раз. [4] Из 9,50 миллиардов бушелей кукурузы, произведенной в 2001 году, 0,71 миллиарда бушелей было использовано для производства кукурузного этанола. По сравнению с 2018 годом, из 14,62 миллиардов бушелей произведенной кукурузы, 5,60 миллиардов бушелей было использовано для производства кукурузного этанола, сообщает Министерство энергетики США . В целом, 94% этанола в Соединенных Штатах производится из кукурузы. [5]
В настоящее время кукурузный этанол в основном используется в смесях с бензином для создания таких смесей, как E10 , E15 и E85 . Этанол смешивается с более чем 98% бензина в Соединенных Штатах для снижения загрязнения воздуха. [5] Кукурузный этанол используется в качестве оксигената при смешивании с бензином . E10 и E15 можно использовать во всех двигателях без модификации. Однако смеси, такие как E85, с гораздо большим содержанием этанола , требуют значительных модификаций, прежде чем двигатель сможет работать на смеси без повреждения двигателя. [6] Некоторые транспортные средства, которые в настоящее время используют топливо E85 , также называемое гибким топливом , включают Ford Focus , Dodge Durango и Toyota Tundra , среди прочих. [ требуется ссылка ]
Будущее использование кукурузного этанола в качестве основной замены бензину неизвестно. Пока не доказано, что кукурузный этанол столь же экономически эффективен, как бензин, поскольку его производство намного дороже по сравнению с бензином . [6] Кукурузный этанол должен пройти обширный процесс измельчения , прежде чем его можно будет использовать в качестве источника топлива. Одним из основных недостатков кукурузного этанола является возврат энергии на вложенную энергию ( EROI ), то есть выработанная энергия по сравнению с энергией, необходимой для выработки этой энергии. По сравнению с нефтью, с EROI 11:1 , кукурузный этанол имеет гораздо более низкий EROI 1,5:1, что, в свою очередь, также обеспечивает меньший пробег на галлон по сравнению с бензином. [7] В будущем, по мере развития технологий и сокращения запасов нефти, процесс измельчения может потребовать меньше энергии, в результате чего EROI приблизится к EROI нефти. Еще одной серьезной проблемой кукурузного этанола в качестве замены бензину является повреждение двигателя на стандартных транспортных средствах. E10 содержит десять процентов этанола и приемлем для большинства транспортных средств на дорогах сегодня, в то время как E15 содержит пятнадцать процентов этанола и обычно запрещен для автомобилей, выпущенных до 2001 года. [5] Однако, с надеждой заменить бензин в будущем, E85 , который содержит 85% этанола , требует модификации двигателя, прежде чем двигатель сможет работать, обрабатывая большой объем этанола в течение длительного периода времени. Таким образом, большинство старых и современных транспортных средств устареют без надлежащих модификаций двигателя, чтобы справиться с увеличением коррозионной активности из-за большого объема этанола . Кроме того, большинство заправочных станций не предлагают заправку транспортных средств E85. Министерство энергетики США сообщает, что только 3355 заправочных станций из 168000 по всей территории Соединенных Штатов предлагают заправку этанолом транспортных средств E85 . [8]
Существует два основных типа производства этанола из кукурузы: сухой помол и мокрый помол , которые различаются методом первичной обработки зерна и побочными продуктами. [9]
Подавляющее большинство (≈90%) кукурузного этанола в Соединенных Штатах производится путем сухого помола . [10] В процессе сухого помола все кукурузное зерно измельчается в муку , или «затор», который затем суспендируется путем добавления воды. [11] В затор добавляются ферменты для гидролиза крахмала в простые сахара . Аммиак добавляется для контроля pH и в качестве питательного вещества для дрожжей , которые добавляются позже. Смесь обрабатывается при высоких температурах для снижения уровня бактерий. Затор перекачивается и охлаждается в ферментерах . Добавляются дрожжи , которые сбраживают сахара в этанол и углекислый газ . Весь процесс занимает от 40 до 50 часов, в течение которых затор поддерживается в прохладном месте и перемешивается для повышения активности дрожжей . Затем затор перекачивается в дистилляционные колонны , где этанол удаляется из силоса . Этанол обезвоживается до крепости около 200 с использованием системы молекулярных сит . Добавляется денатурант, такой как бензин , чтобы сделать продукт непригодным для питья. Затем продукт готов к отправке в розничные магазины бензина или на терминалы. Оставшийся силос перерабатывается в высокопитательный корм для скота, известный как сухие зерна и растворимые вещества дистиллятора (DDGS). [12] Углекислый газ, выделяющийся в результате процесса, используется для газирования напитков и производства сухого льда . [ требуется ссылка ]
При мокром помоле кукурузное зерно разделяется на компоненты путем замачивания в разбавленной сернистой кислоте в течение 24–48 часов. [13] Затем смесь пульпы проходит через ряд измельчителей для отделения кукурузных зародышей . Оставшиеся компоненты клетчатки, глютена и крахмала разделяются с помощью ситовых, гидроклонных и центробежных сепараторов. Кукурузный крахмал и оставшаяся вода могут быть ферментированы в этанол с помощью аналогичного процесса, как при сухом помоле , высушены и проданы как модифицированный кукурузный крахмал или превращены в кукурузный сироп . Глютеновый белок и замочная жидкость высушиваются для получения кукурузной глютеновой муки , которая продается в животноводческой промышленности. Тяжелая замоченная вода также продается в качестве кормового ингредиента и используется в качестве альтернативы соли в зимние месяцы. Кукурузное масло также извлекается и продается. [ необходима цитата ]
Кукурузный этанол приводит к более низким выбросам парниковых газов , чем бензин , и полностью биоразлагаем , в отличие от некоторых топливных добавок, таких как МТБЭ . [14] Однако, поскольку энергия для работы многих американских ликероводочных заводов поступает в основном с угольных электростанций, ведутся серьезные дебаты по поводу устойчивости кукурузного этанола в замене ископаемого топлива . Дополнительные разногласия связаны с большим количеством пахотных земель, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, и его влиянием на поставки зерна , а также прямыми и косвенными эффектами изменения землепользования . Другие вопросы связаны с загрязнением , использованием воды для орошения и переработки, энергетическим балансом и интенсивностью выбросов для полного жизненного цикла производства этанола. [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24]
.JPG/1280px-ADM_corn_plant_(Columbus,_Nebraska).JPG)
Несколько исследований полного жизненного цикла показали, что кукурузный этанол снижает выбросы парниковых газов от скважины до колеса до 50 процентов по сравнению с бензином. [14] [25] [26] [27] Однако более поздние исследования, основанные на анализе данных за первые восемь лет внедрения Стандарта возобновляемого топлива США, показывают, что кукурузный этанол производит больше выбросов углерода на единицу энергии, чем бензин, если учитывать использование удобрений и изменение землепользования . [28]
Топливо с добавлением этанола, которое в настоящее время представлено на рынке, будь то E10 или E85, соответствует строгим стандартам выбросов выхлопных газов. [14]
Одним из главных противоречий, связанных с производством кукурузного этанола, является необходимость пахотных земель для выращивания кукурузы для производства этанола, которая затем недоступна для выращивания кукурузы для потребления человеком или животными . [29] В Соединенных Штатах 40% площадей, отведенных под кукурузное зерно, используются для производства кукурузного этанола, из которых 25% были преобразованы в этанол после учета побочных продуктов, оставляя только 60% урожая для потребления человеком или животными. [30]
Выращивание кукурузы для использования в качестве топлива для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания является крайне неэффективным использованием земли. Солнечная ферма, вырабатывающая электроэнергию для питания электромобиля, будет обеспечивать примерно в 85 раз большее расстояние, чем кукурузный этанол, выращенный на той же площади. [31]
Ассоциация возобновляемых видов топлива (RFA), лоббистская группа этаноловой промышленности, утверждает, что производство этанола повышает цену кукурузы за счет увеличения спроса. RFA утверждает, что производство этанола имеет положительный экономический эффект для фермеров США, но не уточняет эффект для других групп населения, где полевая кукуруза является частью основного рациона. В лоббистском документе RFA говорится, что «В заявлении от января 2007 года главный экономист Министерства сельского хозяйства США заявил, что выплаты по сельскохозяйственной программе, как ожидается, будут сокращены примерно на 6 миллиардов долларов из-за более высокой стоимости бушеля кукурузы. [32] Производство кукурузы в 2009 году достигло более 13,2 миллиардов бушелей, а урожайность с акра подскочила до более чем 165 бушелей с акра. [33] В Соединенных Штатах, по данным Министерства сельского хозяйства США , 5,05 миллиарда бушелей кукурузы были использованы для производства этанола из 14,99 миллиардов бушелей, произведенных в 2020 году . [34] По данным Центра данных по альтернативным видам топлива Министерства энергетики США, «увеличение [производства] этанола, по-видимому, произошло из-за увеличения общего производства кукурузы и небольшого сокращения кукурузы, используемой в качестве корма для животных и других остаточных целей. Количество кукурузы, используемой для других целей, включая потребление человеком, оставалось довольно стабильным из года в год». [34] Это не доказывает, что не было никакого влияния на поставки продовольствия: поскольку производство кукурузы в США удвоилось (приблизительно) в период с 1987 по 2018 год, вероятно, что некоторые пахотные земли, ранее использовавшиеся для выращивания других продовольственных культур, теперь используются для выращивания кукурузы. Также возможно или вероятно, что некоторые маргинальные земли были преобразованы или возвращены в сельскохозяйственное использование. Это может иметь негативные последствия для окружающей среды. [ необходима цитата ]
Остатки от производства продуктов питания, такие как кукурузная солома, можно использовать для производства этанола вместо пищевой кукурузы. Этанол, полученный из сахарной свеклы, используемой в Европе, или сахарного тростника в Бразилии, обеспечивает до 80% сокращения выбросов углекислого газа от скважины до колеса . Использование целлюлозной биомассы для производства этанола считается биотопливом второго поколения , которое некоторые считают решением спора о продовольствии и топливе, и имеет потенциал для сокращения выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла до 86 процентов по сравнению с бензином. [14]
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Хотя 40,5% кукурузного зерна было направлено на переработку этанола в 2011 году, только 25% посевных площадей кукурузы в США были отнесены к этанолу при учете использования сопутствующих продуктов в качестве кормов.