Топливо этанол - Ethanol fuel

Saab 9-3 SportCombi BioPower был второй E85 многотопливные модели представлен Saab в шведском рынке.

Топливный этанол - это этиловый спирт , тот же тип спирта, который содержится в алкогольных напитках , используемый в качестве топлива . Чаще всего используется в качестве моторного топлива , в основном в качестве добавки к биотопливу к бензину . Первым серийным автомобилем, полностью работающим на этаноле, стал 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 с 2000 по 2007 год с 17 × 10 9 литров (4,5 × 10 9  галлонов США; 3,7 × 10 9  галлонов США) до более чем 52 × 10 9 литров (1,4 × 10 10  галлонов США; 1,1 × 10 10  имп гал). С 2007 по 2008 год доля этанола в мировом потреблении бензина увеличилась с 3,7% до 5,4%. В 2011 году мировое производство топливного этанола достигло 8,46 × 10 10 литров (2,23 × 10 10  галлонов США; 1,86 × 10 10  галлонов США), при этом Соединенные Штаты Америки и Бразилия были ведущими производителями, на которые приходилось 62,2% и 25% мирового производства. , соответственно. Производство этанола в США достигло 57,54 × 10 9 литров (1,520 × 10 10  галлонов США; 1,266 × 10 10  имп галлонов) в 2017–04 годах.

Топливный этанол имеет значение « эквивалента галлона бензина » (GGE) 1,5, то есть для замещения энергии 1 объема бензина требуется 1,5-кратный объем этанола.

Топливо на основе этанола широко используется в Бразилии , США и Европе (см. Также топливо на основе этанола по странам ). Большинство автомобилей сегодня на дорогах США могут работать на смесях, содержащих до 10% этанола , и этанол составлял 10% бензинового топлива в США, полученного из внутренних источников в 2011 году. Некоторые автомобили с гибким топливом могут использовать до 100 % спирт этиловый.

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). К декабрю 2011 года в Бразилии насчитывалось 14,8 миллиона автомобилей и легких грузовиков с гибким топливом и 1,5 миллиона мотоциклов с гибким топливом, которые регулярно используют чистый этанол (известный как E100 ).

Биоэтанол - это форма возобновляемой энергии, которую можно производить из сельскохозяйственного сырья . Его можно приготовить из очень распространенных культур, таких как конопля , сахарный тростник , картофель , маниока и кукуруза . Было много споров о том, насколько полезен биоэтанол для замены бензина. Опасения по поводу его производства и использования связаны с повышением цен на продукты питания из-за большого количества пахотных земель, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, а также с балансом энергии и загрязнения всего цикла производства этанола, особенно из кукурузы.

Химия

Строение молекулы этанола. Все облигации являются одинарными.

Во время ферментации этанола , глюкозы и других сахаров в кукурузе (или сахарного тростника или других культур) превращают в этанол и диоксид углерода .

C 6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + тепло

Ферментация этанола не на 100% избирательна по отношению к побочным продуктам, таким как уксусная кислота и гликоли. В основном они удаляются при очистке этанола. Брожение происходит в водном растворе. Полученный раствор имеет содержание этанола около 15%. Затем этанол выделяют и очищают путем сочетания адсорбции и дистилляции.

Во время горения этанол реагирует с кислородом с образованием углекислого газа, воды и тепла:

C 2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O + тепло

Молекулы крахмала и целлюлозы представляют собой цепочки молекул глюкозы. Также возможно производить этанол из целлюлозных материалов. Однако это требует предварительной обработки, которая расщепляет целлюлозу на молекулы глюкозы и другие сахара, которые впоследствии можно ферментировать. Полученный продукт называется целлюлозным этанолом , что указывает на его источник.

Этанол также производится промышленно из этилена путем гидратации в двойной связи в присутствии катализатора и при высокой температуре.

С 2 Н 4 + Н 2 О → С 2 Н 5 ОН

Большая часть этанола производится путем ферментации.

Источники

Сбор сахарного тростника
Кукурузное поле в Южной Африке
Просо

Около 5% этанола, произведенного в мире в 2003 году, было фактически нефтепродуктом. 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 т) этанола нефтяного происхождения. Основные поставщики - заводы в США, Европе и Южной Африке. Этанол нефтяного происхождения (синтетический этанол) химически идентичен биоэтанолу, и его можно отличить только с помощью радиоуглеродного датирования.

Биоэтанол обычно получают при конверсии углеродсодержащего 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 , жмых , 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 сбора урожая, в зависимости от того, что имеет наилучшую сквозную оценку.

Альтернативный процесс производства биоэтанола из водорослей разрабатывается компанией Algenol . Вместо того, чтобы выращивать водоросли, а затем собирать и ферментировать их, водоросли растут на солнечном свете 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; 56000 литров на гектар) в год по сравнению с 400 галлонами США на акр (330 имп галлонов на акр; 3700 л / га) при производстве кукурузы.

В настоящее время в процессах первого поколения для производства этанола из кукурузы используется только небольшая часть растения кукурузы: зерна кукурузы берутся с растения кукурузы, и только крахмал, который составляет около 50% от массы сухого ядра, преобразуется. в этанол. В стадии разработки находятся два типа процессов второго поколения. Первый тип использует ферменты и дрожжевую ферментацию для преобразования растительной целлюлозы в этанол, а второй тип использует пиролиз для преобразования всего растения в жидкое биомасло или синтез-газ . Процессы второго поколения также можно использовать с такими растениями, как травы, древесина или сельскохозяйственные отходы, такие как солома.

Производство

Хотя топливный этанол можно производить различными способами , наиболее распространенным способом является ферментация.

Основными этапами крупномасштабного производства этанола являются: микробная ( дрожжевая ) ферментация сахаров, дистилляция , дегидратация (требования меняются, 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.

Ферментация

Этанол получают путем микробной ферментации сахара. В настоящее время микробная ферментация работает только непосредственно с сахарами . Два основных компонента растений, крахмал и целлюлоза, оба состоят из сахаров и, в принципе, могут быть преобразованы в сахара для ферментации. В настоящее время можно экономично преобразовать только части сахара (например, сахарный тростник) и крахмала (например, кукуруза).

Существует интерес к целлюлозному этанолу, полученному путем разложения растительной целлюлозы до сахаров и превращения сахаров в этанол. Однако целлюлозный этанол в настоящее время неэкономичен и не применяется в коммерческих целях. Согласно отчету Международного энергетического агентства за 2006 год, целлюлозный этанол может иметь важное значение в будущем.

Дистилляция

Завод по производству этанола в Вест- Берлингтоне, штат Айова
Завод по производству этанола в Сертанозиньо, Бразилия.

Чтобы этанол можно было использовать в качестве топлива, необходимо удалить твердые частицы дрожжей и большую часть воды. После брожения затор нагревают, чтобы этанол испарился. Этот процесс, известный как дистилляция , разделяет этанол, но его чистота ограничена 95–96% из-за образования низкокипящего азеотропа вода-этанол с максимальным содержанием этанола (95,6% м / м (96,5% об.)). и 4,4% мас. / мас. (3,5% об. / об.) воды). Эта смесь называется водным этанолом и может использоваться только 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. .

Обезвоживание

Есть три процесса дегидратации для удаления воды из азеотропной смеси этанол / вода. Первый процесс, используемый на многих ранних заводах по производству этанола, называется азеотропной дистилляцией и заключается в добавлении в смесь бензола или циклогексана . Когда эти компоненты добавляются к смеси, она образует гетерогенную азеотропную смесь в равновесии пар-жидкость-жидкость , которая при перегонке дает безводный этанол в нижней части колонны и паровую смесь воды, этанола и циклогексана / бензола.

Когда он конденсируется, он становится двухфазной жидкой смесью. Более тяжелая фаза с низким содержанием уловителя (бензола или циклогексана) отделяется от уловителя и возвращается в исходное сырье, в то время как более легкая фаза с конденсатом после отпарки 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 полностью исключают перегонку для обезвоживания. Из этих методов появился третий метод, принятый на большинстве современных заводов по производству этанола. В этом новом процессе для удаления воды из топливного этанола используются молекулярные сита . В этом процессе пары этанола под давлением проходят через слой шариков молекулярного сита. Размер пор гранул позволяет адсорбировать воду без этанола. Через некоторое время слой регенерируют в вакууме или в потоке инертной атмосферы (например, N 2 ) для удаления адсорбированной воды. Часто используются два слоя, так что один доступен для адсорбции воды, в то время как другой регенерируется. Эта технология обезвоживания может составлять экономии в 3000 БТЕ / галлон (840 к энергии Дж / л) по сравнению с более ранней азеотропной перегонки.

Недавние исследования показали, что полное обезвоживание перед смешиванием с бензином не всегда необходимо. Вместо этого азеотропная смесь может быть смешана непосредственно с бензином, так что фазовое равновесие жидкость-жидкость может способствовать удалению воды. Двухступенчатая противоточная установка смесителей-отстойников позволяет добиться полного восстановления этанола в топливную фазу с минимальным потреблением энергии.

Проблемы с водой после производства

Этанол гигроскопичен , что означает, что он поглощает водяной пар непосредственно из атмосферы. Поскольку абсорбированная вода снижает топливную ценность этанола и может вызвать разделение фаз в смесях этанола и бензина (что вызывает остановку двигателя), емкости с этанольным топливом должны храниться плотно закрытыми. Такая высокая смешиваемость с водой означает, что этанол не может эффективно транспортироваться по современным трубопроводам , например по жидким углеводородам, на большие расстояния.

Доля воды, которую топливо этанол-бензин может содержать без разделения фаз, увеличивается с процентным содержанием этанола. Например, E30 может содержать до 2% воды. Если этанол составляет более 71%, остаток может быть любой долей воды или бензина, и разделения фаз не происходит. Расход топлива уменьшается с увеличением содержания воды. Повышенная растворимость воды с более высоким содержанием этанола позволяет помещать E30 и гидратированный этанол в один и тот же резервуар, поскольку любая их комбинация всегда приводит к образованию одной фазы. Несколько меньше воды переносится при более низких температурах. Для E10 он составляет около 0,5% об. / Об. При 21 ° C и уменьшается до примерно 0,23% об. / Об. При -34 ° C.

Системы потребительского производства

В то время как системы производства биодизеля продаются домашним и бизнес-пользователям в течение многих лет, коммерческие системы производства этанола, предназначенные для использования конечным потребителем, отстают на рынке. В 2008 году две разные компании анонсировали системы производства этанола в домашних условиях. Усовершенствованная топливная система AFS125 от Allard Research and Development способна производить как этанол, так и биодизель в одной машине, в то время как E-100 MicroFueler от E-Fuel Corporation предназначен только для этанола.

Двигатели

Экономия топлива

Этанол содержит ок. На 34% меньше энергии на единицу объема, чем у бензина, и поэтому теоретически сжигание чистого этанола в транспортном средстве снижает дальность действия 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, увеличив его степень сжатия.

Для E10 (10% этанола и 90% бензина) эффект невелик (~ 3%) по сравнению с обычным бензином и даже меньше (1-2%) по сравнению с кислородсодержащими смесями и смесями с измененным составом. Для E85 (85% этанола) эффект становится значительным. Е85 имеет меньший пробег, чем бензин, и требует более частой дозаправки. Фактическая производительность может отличаться в зависимости от автомобиля. На основе испытаний EPA для всех моделей E85 2006 года средняя экономия топлива для автомобилей E85 была на 25,56% ниже, чем у неэтилированного бензина. При сравнении цен следует учитывать пробег современных транспортных средств США, работающих на гибком топливе, согласно рейтингу EPA, но E85 - это высокоэффективное топливо с октановым числом около 94–96, и его следует сравнивать с топливом премиум-класса. Согласно RACQ , этанол не подходит для большинства самолетов, а также для некоторых мотоциклов и небольших двигателей, хотя Embraer EMB 202 Ipanema является примером самолета, который был специально разработан для использования с этанольным топливом в некоторых вариантах.

Холодный старт зимой

У бразильского Honda Civic с гибким топливом 2008 года есть внешний прямой доступ к бензобаку вторичного резервуара в передней правой части, соответствующая крышка топливного бака показана стрелкой.

Смеси с высоким содержанием этанола представляют проблему для достижения достаточного давления паров для испарения топлива и возникновения искры зажигания в холодную погоду (поскольку этанол имеет тенденцию увеличивать энтальпию испарения топлива ). Когда давление паров ниже 45 кПа, запуск холодного двигателя затрудняется. Чтобы избежать этой проблемы при температурах ниже 11  ° C (52  ° F ) и снизить более высокие выбросы этанола в холодную погоду, рынки США и Европы приняли E85 в качестве максимальной смеси для использования в их транспортных средствах с гибким топливом, и они оптимизированы для работы с такой смесью. В местах с суровыми холодами смесь этанола в США имеет сезонное снижение до E70 для этих очень холодных регионов, хотя она по-прежнему продается как E85. В местах, где зимой температура опускается ниже -12  ° C (10  ° F ), рекомендуется установить систему подогрева двигателя как для бензиновых автомобилей, так и для автомобилей E85. В Швеции наблюдается аналогичное сезонное сокращение, но содержание этанола в смеси снижается до E75 в зимние месяцы.

Бразильские автомобили с гибким топливом могут работать со смесями этанола до E100 , который представляет собой водный этанол (с содержанием воды до 4%), что приводит к более быстрому падению давления пара по сравнению с автомобилями E85. В результате бразильские гибкие автомобили строятся 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 в южных и центральных регионах Бразилии, где зимой температура обычно опускается ниже 15  ° C (59  ° F ). В 2009 году было запущено поколение усовершенствованных гибких двигателей, которые устраняют необходимость во вторичном резервуаре для хранения газа. В марте 2009 года Volkswagen do Brasil представил Polo E-Flex , первую бразильскую модель с гибким топливом без вспомогательного бака для холодного запуска.

Топливные смеси

Таблица цен на гидратированный этанол × бензин типа C для использования в Бразилии
Наклейка E15 Агентства по охране окружающей среды должна быть размещена на всех ТРК E15 в США.

Во многих странах автомобили должны работать на смесях этанола. Все бразильские легковые автомобили рассчитаны на работу с содержанием этанола до 25% ( E25 ), а с 1993 года федеральный закон требует смеси от 22% до 25% этанола, а по состоянию на середину июля 2011 года - 25%. в Соединенных Штатах все малотоннажные автомобили рассчитаны на нормальную работу с 10% -ной смесью этанола ( E10 ). В конце 2010 года более 90 процентов всего проданного в США бензина было смешано с этанолом. В январе 2011 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) выпустило отказ, разрешив продавать до 15% этанола, смешанного с бензином ( E15 ), только для автомобилей и легких пикапов с модельным годом 2001 или новее.

Начиная с 1999 модельного года, в мире все больше автомобилей производится с двигателями, которые могут работать на любом топливе от 0% этанола до 100% этанола без каких-либо модификаций. Многие легковые и легковые автомобили (класс, включающий минивэны , внедорожники и пикапы ) предназначены для использования в транспортных средствах с гибким топливом, использующих 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 содержания алкоголя в топливе и / или датчики кислорода в выхлопных газах, которые обеспечивают ввод данных в управляющий компьютер двигателя для регулировки впрыска топлива для достижения стехиометрического (отсутствие остаточного топлива или свободного кислорода в выхлопных газах) воздуха. -топливное соотношение для любой топливной смеси. В более новых моделях датчики алкоголя были удалены, а компьютер использует только обратную связь датчика кислорода и воздушного потока для оценки содержания алкоголя. Компьютер управления двигателем также может регулировать (опережать) угол опережения зажигания для достижения более высокой мощности без предварительного зажигания, когда он прогнозирует, что в сжигаемом топливе присутствует более высокий процент спирта. Этот метод подкреплен передовыми датчиками детонации, которые используются в большинстве бензиновых двигателей с высокими рабочими характеристиками, независимо от того, предназначены ли они для использования этанола или нет, и которые обнаруживают преждевременное зажигание и детонацию.

В июне 2021 года Индия перенесла на 2025 год свою цель по внедрению автомобильного топлива, содержащего 20% этанола. Уровень смешивания этанола в топливе в Индии (на момент пересмотра этого целевого показателя) составляет 8%, который должен увеличиться до 10% к 2022 году на основе «Дорожной карты по смешиванию этанола в Индии на 2020-25 годы», опубликованной 5 июня ( World Environment День ) премьер-министра Нарендры Моди . Правительство ожидает, что нефтяные маркетинговые компании, такие как Indian Oil Corp (IOC) и Hindustan Petroleum Corp Ltd (HPCL), с апреля 2023 года будут поставлять топливо, содержащее 20% этанола. Ожидается, что такие штаты, как Махараштра и Уттар-Прадеш, где этанол находится в избытке, первыми перейдут на более высокий уровень смешивания этанола с топливом. Индия также уделяет приоритетное внимание выпуску автомобилей, совместимых с топливом, содержащим этанол. С марта 2021 года автопроизводители должны указывать совместимость новых транспортных средств с этанолом, а двигатели должны быть оптимально спроектированы для использования топлива, содержащего 20% этанола. Правительство ожидает, что автопроизводители начнут производство транспортных средств, соответствующих требованиям к топливу, содержащим этанол, до апреля 2022 года. Однако экологи опасаются, что повышенная цель Индии по смешиванию этанола может стимулировать использование водоемких культур, таких как сахарный тростник и рис, и предлагают правительству сосредоточиться на более низком уровне потребления. -водные культуры, такие как просо, поскольку Индия уже сталкивается с острой нехваткой воды.

Другие конфигурации двигателя

Двигатели ED95

С 1989 года в Швеции также работают двигатели на этаноле, работающие на дизельном топливе. Они используются в основном в городских автобусах, а также в развозных грузовиках 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% денатурирующих веществ . Присадка, улучшающая воспламенение, позволяет топливу воспламеняться в цикле сгорания дизельного топлива. Тогда также возможно использовать энергоэффективность дизельного топлива с этанолом. Эти двигатели использовались компанией Reading Buses в Соединенном Королевстве, но сейчас использование биоэтанола в качестве топлива постепенно прекращается.

Двухтопливный непосредственный впрыск

Исследование MIT 2004 года и более ранняя статья, опубликованная Обществом автомобильных инженеров, определили метод, позволяющий использовать характеристики топливного этанола значительно более эффективно, чем его смешивание с бензином. Этот метод представляет возможность использования алкоголя для достижения определенного улучшения экономической эффективности гибридного электрического. Улучшение 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 высокой степенью сжатия с турбонаддувом и аналогичными характеристиками. к двигателю, имеющему вдвое больший рабочий объем. Каждое топливо перевозится отдельно, с гораздо меньшим баком для спирта. Двигатель с высокой степенью сжатия (для повышения эффективности) работает на обычном бензине в крейсерских условиях малой мощности. Спирт впрыскивается непосредственно в цилиндры (и одновременно сокращается впрыск бензина) только тогда, когда это необходимо для подавления «детонации», например, при значительном ускорении. Прямой впрыск в цилиндр повышает и без того высокое октановое число этанола до эффективного 130. Расчетное общее сокращение использования бензина и выбросов CO 2 составляет 30%. Время окупаемости потребительских затрат показывает улучшение на 4: 1 по сравнению с турбодизелем и на 5: 1 по сравнению с гибридом. Также устраняются проблемы водопоглощения в предварительно смешанный бензин (вызывающие разделение фаз), проблемы подачи нескольких соотношений смеси и запуск в холодную погоду.

Повышенная тепловая эффективность

В исследовании 2008 года сложные системы управления двигателем и усиленная рециркуляция выхлопных газов позволили достичь степени сжатия 19,5 при различных видах топлива от чистого этанола до E50. Достигнут тепловой КПД примерно до дизельного. В результате экономия топлива аккуратного транспортного средства, работающего на этаноле, будет примерно такой же, как у автомобиля, сжигающего бензин.

Топливные элементы, работающие на установке риформинга этанола

В июне 2016 года Nissan объявил о планах разработки 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 состоит в том, что было бы дешевле и проще развернуть инфраструктуру заправки топливом, чем создание инфраструктуры, необходимой для доставки водорода при высоких давлениях, поскольку строительство каждой водородной заправочной станции обходилось от 1 до 2 млн долларов США .

Nissan планирует создать технологию, использующую жидкий этанол в качестве источника водорода в самом автомобиле. В технологии используется тепло для преобразования этанола в водород, который используется для питания так называемого твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Топливный элемент вырабатывает электричество для подачи энергии на электродвигатель, приводящий в движение колеса, через аккумулятор, который обрабатывает пиковую мощность и хранит регенерированную энергию. Транспортное средство будет включать в себя бак для смеси воды и этанола, который подается в бортовую установку риформинга, которая расщепляет ее на чистый водород и диоксид углерода. Согласно заявлению Nissan, жидкое топливо может представлять собой смесь этанола и воды в соотношении 55:45. Nissan рассчитывает коммерциализировать свои технологии к 2020 году.

Опыт по странам

В 2011 году крупнейшими производителями этанола 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). Сильные стимулы в сочетании с другими инициативами по развитию отрасли приводят к появлению новых производств этанола в таких странах, как Германия, Испания, Франция, Швеция, Китай, Таиланд, Канада, Колумбия, Индия, Австралия и некоторые страны Центральной Америки.

Годовое производство топливного этанола по странам
(2007–2011 гг.)
10 ведущих стран / региональных блоков
(Миллионы жидких галлонов США в год)
Мировой
рейтинг
Страна / регион 2011 г. 2010 г. 2009 г. 2008 г. 2007 г.
1  Соединенные Штаты 13 900,00 13 231,00 10 938,00 9 235,00 6 485,00
2  Бразилия 5 573,24 6 921,54 6 577,89 6 472,20 5 019,20
3  ЕС 1,199,31 1,176,88 1 039,52 733,60 570,30
4  Китай 554,76 541,55 541,55 501,90 486,00
5  Таиланд 435,20 89,80 79,20
6  Канада 462,30 356,63 290,59 237,70 211,30
7  Индия 91,67 66.00 52,80
8  Колумбия 83,21 79,30 74,90
9  Австралия 87,20 66,04 56,80 26,40 26,40
10 Другой 247,27
Всего в мире 22 356,09 22 946,87 19 534,99 17 335,20 13 101,70

Среда

Энергетический баланс

Энергетический баланс
Страна Тип Энергетический баланс
Соединенные Штаты Кукурузный этанол 1.3
Германия Биодизель 2,5
Бразилия Этанол сахарного тростника 8
Соединенные Штаты Целлюлозный этанол 2–36 ††

† экспериментальный, не в серийном производстве

†† в зависимости от метода производства

Вся биомасса проходит хотя бы некоторые из этих этапов: ее нужно выращивать, собирать, сушить, ферментировать, перегонять и сжигать. Все эти шаги требуют ресурсов и инфраструктуры. Общее количество энергии, вложенной в процесс, по сравнению с энергией, высвобождаемой при сжигании полученного этанольного топлива, известно как энергетический баланс (или « энергия, возвращаемая на вложенную энергию »). Цифры, собранные в отчете National Geographic за 2007 год, показывают скромные результаты по кукурузному этанолу, производимому в США: одна единица ископаемого топлива требуется для производства 1,3 единиц энергии из полученного этанола. Энергетический баланс этанола из сахарного тростника, производимого в Бразилии, более благоприятен: одна единица энергии ископаемого топлива требуется для получения 8 из этанола. Оценки энергетического баланса получить нелегко, поэтому было создано множество таких отчетов, которые противоречат друг другу. Например, в отдельном обзоре сообщается, что производство этанола из сахарного тростника, для продуктивного роста которого требуется тропический климат, дает от 8 до 9 единиц энергии на каждую затраченную единицу, по сравнению с кукурузой, которая дает только около 1,34 единицы топливной энергии. на каждую единицу затраченной энергии. Исследование Калифорнийского университета в Беркли в 2006 году после анализа шести отдельных исследований пришло к выводу, что при производстве этанола из кукурузы используется гораздо меньше нефти, чем при производстве бензина.

Двуокись углерода , парниковый газ , выделяется во время брожения и горения. Это компенсируется увеличением поглощения углекислого газа растениями по мере роста для производства биомассы. При производстве определенными методами этанол выделяет меньше парниковых газов, чем бензин.

Загрязнение воздуха

По сравнению с обычным неэтилированным бензином этанол представляет собой источник горючего топлива, не содержащего твердых частиц, который при сгорании с кислородом образует двуокись углерода, окись углерода, воду и альдегиды . Закон о чистом воздухе требует добавления оксигенатов для снижения выбросов окиси углерода 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 производителями макроэлементов удобрений, таких как аммиак.

Исследование атмосферных ученых из Стэнфордского университета показало, что топливо E85 увеличивает риск смерти от загрязнения воздуха по сравнению с бензином на 9% в Лос-Анджелесе, США: в очень большом городском мегаполисе с автомобильной базой, что является наихудшим сценарием. Уровни озона значительно увеличиваются, тем самым увеличивая фотохимический смог и усугубляя проблемы со здоровьем, такие как астма.

Бразилия сжигает значительное количество биотоплива этанола. Исследования газового хроматографа проводились для окружающего воздуха в Сан-Паулу, Бразилия, и сравнивались с Осакой, Япония, где не сжигается этанол. Атмосферный формальдегид был на 160% выше в Бразилии, а ацетальдегид был на 260% выше.

Углекислый газ

Расчет правительства Великобритании углеродоемкости биоэтанола кукурузы, выращенного в США и сожженного в Великобритании.
График британских данных по углеродоемкости биоэтанола и ископаемого топлива . Этот график предполагает, что все биоэтанолы сжигаются в стране их происхождения и что ранее существовавшие пахотные земли используются для выращивания сырья.

Расчет точного количества углекислого газа, производимого при производстве биоэтанола, является сложным и неточным процессом и сильно зависит от метода производства этанола и допущений, сделанных в расчетах. Расчет должен включать:

  • Стоимость выращивания сырья
  • Стоимость транспортировки сырья на завод
  • Стоимость переработки сырья в биоэтанол

Такой расчет может учитывать или не учитывать следующие эффекты:

  • Стоимость изменения землепользования участка выращивания топливного сырья.
  • Стоимость транспортировки биоэтанола от завода до пункта использования.
  • Эффективность биоэтанола по сравнению со стандартным бензином
  • Количество углекислого газа, производимого в выхлопной трубе.
  • Преимущества за счет производства полезных побочных продуктов, таких как корм для скота или электричество.

На графике справа показаны цифры, рассчитанные правительством Великобритании для целей обязательства по возобновляемому транспортному топливу .

В статье «Science» от Калифорнийского университета в Беркли, опубликованной в январе 2006 года, по оценкам, снижение выбросов парниковых газов за счет кукурузного этанола составило 13% после обзора большого количества исследований. В исправлении к этой статье, выпущенном вскоре после публикации, оценочное значение снижено до 7,4%. В обзорной статье National Geographic (2007) приводятся цифры на 22% меньше выбросов CO 2 при производстве и использовании этанола из кукурузы по сравнению с бензином и на 56% меньше для этанола из тростника. Автопроизводитель Ford сообщает о 70% -ном сокращении выбросов CO 2 при использовании биоэтанола по сравнению с бензином для одного из своих транспортных средств с гибким топливом.

Дополнительная сложность заключается в том, что производство требует обработки новой почвы, которая производит разовый выброс парниковых газов, для выравнивания которых могут потребоваться десятилетия или столетия производственного сокращения выбросов парниковых газов. Например, для преобразования пастбищ в производство кукурузы для производства этанола требуется около столетия ежегодной экономии, чтобы компенсировать выбросы парниковых газов при первоначальной обработке почвы.

Изменение землепользования

Для производства сельскохозяйственного спирта необходимо крупномасштабное сельское хозяйство, а для этого требуются значительные площади возделываемых земель. Исследователи из Университета Миннесоты сообщают, что если бы вся кукуруза, выращиваемая в США, использовалась для производства этанола, это заменило бы 12% текущего потребления бензина в США. Есть утверждения, что земли для производства этанола приобретаются путем вырубки лесов, в то время как другие отмечают, что районы, в которых в настоящее время растут леса, обычно не подходят для выращивания сельскохозяйственных культур. В любом случае, сельское хозяйство может повлечь за собой снижение плодородия почвы из-за уменьшения содержания органических веществ, снижения доступности и качества воды, увеличения использования пестицидов и удобрений и потенциального перемещения местных сообществ. Новые технологии позволяют фермерам и переработчикам все больше производить ту же продукцию с меньшими затратами.

Производство целлюлозного этанола - это новый подход, который может облегчить проблемы землепользования и связанные с этим проблемы. Целлюлозный этанол можно производить из любого растительного материала, потенциально повышая урожайность вдвое, чтобы свести к минимуму конфликт между потребностями в продуктах питания и потребностями в топливе. Вместо использования только побочных продуктов крахмала при измельчении пшеницы и других культур, производство целлюлозного этанола позволяет максимально использовать все растительные материалы, включая глютен. Такой подход будет иметь меньший углеродный след, поскольку количество энергоемких удобрений и фунгицидов остается неизменным для более высокого выхода годного к употреблению материала. Технология производства целлюлозного этанола в настоящее время находится на стадии коммерциализации .

Использование биомассы для электричества вместо этанола

Преобразование биомассы в электричество для зарядки электромобилей может быть более «экологически чистым» вариантом транспортировки, чем использование биомассы для производства этанольного топлива, согласно анализу, опубликованному в Science в мае 2009 года. этанол и современные автомобильные аккумуляторы.

Затраты на здоровье от выбросов этанола

На каждый миллиард галлонов эквивалента этанола топлива, произведенного и сожженного в США, общие затраты на изменение климата и здоровье составляют 469  миллионов долларов на бензин, 472–952  миллиона долларов на этанол из кукурузы, 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 (биомасса прерий, мискантус, кукурузная солома или просо).

Продуктивность обычных культур

По мере того, как выход этанола увеличивается или вводится другое сырье, производство этанола может стать более экономически целесообразным в США. В настоящее время с использованием биотехнологии проводятся исследования по повышению урожайности этанола с каждой единицы кукурузы. Кроме того, пока цены на нефть остаются высокими, экономичное 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 пригодных для выращивания других товарных культур, и они дают высокие уровни этанола на единицу площади.

Обрезать Годовая урожайность (литры / га, галлоны США / акр) Экономия парниковых газов по
сравнению с бензином [a]
Холодостойкость

Предел зоны

Горячий

Предел зоны выносливости

Комментарии
Сладкая палочка 6800–8000 л / га,
727–870 галлонов / акр
87% –96% 9 13 Многолетняя однолетняя трава. Используется в качестве сырья для большей части биоэтанола, производимого в Бразилии. Новые перерабатывающие предприятия сжигают остатки, не используемые для производства этанола, для выработки электроэнергии. Произрастает только в тропическом и субтропическом климате.
Мискантус 7300 л / га,
780 галлон / акр
37% –73% 5 9 Многолетник маловодный. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии.
Просо 3100–7600 л / га,
330–810 галлонов / акр
37% –73% 5 9 Многолетник малозатратный. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии. Ведутся селекционные работы по увеличению урожайности. Более высокое производство биомассы возможно при использовании смешанных видов многолетних трав.
Тополь 3700–6000 л / га,
400–640 галлонов / акр
51% –100% 3 9 Быстрорастущее дерево. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии. Завершение проекта геномного секвенирования поможет селекционным усилиям повысить урожайность.
Сладкое сорго 2500–7000 л / га,
270–750 галлон / акр
Нет данных 9 12 Малозатратная однолетняя трава. Возможно производство этанола по существующей технологии. Произрастает в тропическом и умеренном климате, но самые высокие оценки урожайности этанола предполагают получение нескольких культур в год (возможно только в тропическом климате). Не хранится хорошо.
Кукуруза 3100–4000 л / га,
330–424 галлона / акр
10% –20% 4 8 Высокопроизводительная однолетняя трава. Используется в качестве сырья для большинства биоэтанола, производимого в США. По имеющейся технологии можно обрабатывать только ядра; Развитие товарной целлюлозной технологии позволит использовать солому и увеличить выход этанола на 1100–2000 литров / га.
Сахарная свекла 6678 л / га,

714 галлонов / акр

Нет данных 2 10 Выращивается как этанольная культура во Франции.
Маниока 3835 л / га,

410 галлонов / акр

Нет данных 10 13 Выращивается как этанол в Нигерии.
Пшеница 2591 л / га,

277 галлонов / акр

Нет данных 3 12 Выращивается как этанольная культура во Франции.
Источник (кроме указанных): Nature 444 (7 декабря 2006 г.): 673–676.
[a] - Сокращение выбросов парниковых газов при условии отсутствия изменений в землепользовании (с использованием существующих сельскохозяйственных угодий).

Снижение импорта нефти и затрат

Одним из аргументов в пользу экстенсивного производства этанола в США является его выгода для энергетической безопасности , поскольку потребность в некоторой нефти иностранного производства перемещается на источники энергии, производимые внутри страны. Производство этанола требует значительных затрат энергии, но в настоящее время производство в США основывается на большей части энергии из угля, природного газа и других источников, а не из нефти. Поскольку 66% нефти, потребляемой в США, импортируется, по сравнению с чистым избытком угля и всего 16% природного газа (данные за 2006 г.), замена топлива на нефтяной основе этанолом приводит к чистому сдвигу с иностранного на внутренний рынок США. источники энергии.

Согласно анализу 2008 года, проведенному 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 в противном случае.

Автоспорт

Леон Дюрей квалифицировался третьим в автогонке Indianapolis 500 1927 года на автомобиле, работающем на этаноле. Серия IndyCar приняла 10% -ную смесь этанола в сезоне 2006 года и 98% -ную смесь в 2007 году.

На чемпионате американских спортивных автомобилей серии Ле-Ман в сезоне 2007 года был представлен E10, который заменил чистый бензин. В сезоне 2008 года E85 разрешили в классе GT, и команды начали переходить на него.

В 2011 году три национальных серийных серийных автомобилей NASCAR потребовали перехода с бензина на E15, смесь неэтилированного гоночного топлива Sunoco GTX и 15% этанола.

Чемпионат Австралии по суперкарам V8 использует Shell E85 в качестве гоночного топлива.

Чемпионат Бразилии по серийным автомобилям проводится на чистом этаноле E100.

Топливо этанол может также использоваться в качестве ракетного топлива . По состоянию на 2010 год небольшие количества этанола используются в легких гоночных самолетах .

Замена топлива для приготовления пищи

Проект Gaia является США неправительственная , некоммерческая организация участвует в создании коммерчески жизнеспособного рынка домашних хозяйств на основе спирта топлива в Эфиопии и других странах , в развивающихся странах . Проект рассматривает спиртосодержащие топлива как решение проблемы нехватки топлива, ущерба окружающей среде и здоровья населения, вызванного традиционным приготовлением пищи в развивающихся странах. Ориентируясь на бедные и маргинализованные сообщества, которые сталкиваются с проблемами здоровья из-за приготовления пищи вместо загрязняющих пожаров, Gaia в настоящее время работает в Эфиопии , Нигерии , Бразилии , Гаити и на Мадагаскаре , а также находится на стадии планирования проектов в нескольких других странах.

Исследовать

Завод по производству этанола в округе Тернер , Южная Дакота

Исследования этанола сосредоточены на альтернативных источниках, новых катализаторах и производственных процессах. INEOS производил этанол из растительных материалов и древесных отходов. Бактерии Е. co , когда методами генной инженерии с коровьим рубцом генами и ферментами могут производить этанол из стеблей кукурузы . Другим потенциальным сырьем являются муниципальные отходы, переработанные продукты, рисовая шелуха , жмых сахарного тростника , древесная щепа, просо просо и двуокись углерода .

Библиография

  • J. Goettemoeller; А. Гёттемюллер (2007). Устойчивый этанол: биотопливо, биоперерабатывающие заводы, целлюлозная биомасса, автомобили с гибким топливом и устойчивое земледелие для энергетической независимости (краткое и исчерпывающее изложение истории, эволюции и будущего этанола) . Прейри Оук Паблишинг, Мэривилл, Миссури. ISBN 978-0-9786293-0-4.
  • Онуки, Шинноске; Koziel, Jacek A .; ван Леувен, Йоханнес; Дженкс, Уильям С .; Грюэлл, Дэвид; Цай, Линшуан (июнь 2008 г.). Методы производства, очистки и анализа этанола: обзор . Ежегодное международное собрание ASABE, 2008 г. Провиденс, Род-Айленд . Проверено 16 февраля 2013 года .
  • Институт всемирного наблюдения (2007 г.). Биотопливо для транспорта: глобальный потенциал и последствия для энергетики и сельского хозяйства (Глобальный обзор, включает примеры страновых исследований Бразилии, Китая, Индии и Танзании) . Лондон, Великобритания: Публикации Earthscan. ISBN 978-1-84407-422-8.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки