Этанол как биотопливо: производство, использование и перспективы.

Введение

Тип биотоплива

Этанольное топливо – это топливо, содержащее этиловый спирт, того же типа, что и в алкогольных напитках. Чаще всего оно используется как моторное топливо, главным образом в качестве биотопливной добавки к бензину. Во всем мире используется несколько распространенных смесей этанола. Использование чистого гидратированного 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 (газолином) для использования в бензиновых двигателях, но при высоком содержании этанола – только после модификации двигателя для дозирования увеличенного объема топлива, поскольку чистый этанол содержит лишь 2/3 энергии эквивалентного объема чистого бензина. Смеси с высоким процентом этанола используются в некоторых гоночных двигателях, поскольку очень высокое октановое число этанола совместимо с очень высокой степенью сжатия. Первым серийным автомобилем, полностью работающим на этаноле, был Fiat 147, представленный в 1978 году в Бразилии компанией Fiat. Этанол обычно производят из биомассы, такой как кукуруза или сахарный тростник. Мировое производство этанола для транспортного топлива утроилось в период с 2000 по 2007 год – с до более чем. С 2007 по 2008 год доля этанола в мировом использовании бензинового топлива увеличилась с 3,7% до 5,4%. В 2011 году мировое производство этанола достигло, при этом Соединенные Штаты Америки и Бразилия были крупнейшими производителями, на долю которых приходилось 62,2% и 25% мирового производства соответственно. Этанольное топливо имеет показатель "эквивалентности бензиновому галлону" (GGE) равный 1,5, то есть для замены энергии 1 объема бензина требуется 1,5 объема этанола. Смешанное топливо с этанолом широко используется в Бразилии, Соединенных Штатах и Европе (см. также Этанольное топливо по странам). Этанол составлял 10% поставок бензина в США из отечественных источников в 2011 году. К декабрю 2011 года в Бразилии насчитывалось 14,8 миллионов 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 получать из широко распространенных культур, таких как конопля, сахарный тростник, картофель, маниока и кукуруза. Велись значительные дебаты о том, насколько полезен биоэтанол в замене бензина. Опасения по поводу его производства и использования связаны с ростом цен на продовольствие из-за большого количества пахотных земель, необходимых для выращивания культур, а также с энергетическим и экологическим балансом всего цикла производства этанола, особенно из кукурузы.

Ethanol fuel is fuel containing ethyl alcohol, the same type of alcohol as found in alcoholic beverages. It is most often used as a motor fuel, mainly as a biofuel additive for gasoline. Several common ethanol fuel mixtures are in use around the world. The use of pure hydrous or anhydrous ethanol in internal combustion engines (ICEs) is only possible if the engines are designed or modified for that purpose. Anhydrous ethanol can be blended with :gasoline (petrol) for use in gasoline engines, but with high ethanol content only after engine modifications to meter increased fuel volume since pure ethanol contains only 2/3 the energy of an equivalent volume of pure gasoline. High percentage ethanol mixtures are used in some racing engine applications as the very high octane rating of ethanol is compatible with very high compression ratios. The first production car running entirely on ethanol was the Fiat 147, introduced in 1978 in Brazil by Fiat. Ethanol is commonly made from biomass such as corn or sugarcane. World ethanol production for transport fuel tripled between 2000 and 2007 from to more than From 2007 to 2008, the share of ethanol in global gasoline type fuel use increased from 3.7% to 5.4%. In 2011 worldwide ethanol fuel production reached with the United States of America and Brazil being the top producers, accounting for 62.2% and 25% of global production, respectively. Ethanol fuel has a "gasoline gallon equivalency" (GGE) value of 1.5, i. e. to replace the energy of 1 volume of gasoline, 1.5 times the volume of ethanol is needed. Ethanol blended fuel is widely used in Brazil, the United States, and Europe (see also Ethanol fuel by country). and ethanol represented 10% of the U. S. gasoline fuel supply derived from domestic sources in 2011. By December 2011 Brazil had a fleet of 14.8 million flex fuel automobiles and light trucks and 1.5 million flex fuel motorcycles that regularly use neat ethanol fuel (known as E100). Bioethanol is a form of renewable energy that can be produced from agricultural feedstocks. It can be made from very common crops such as hemp, sugarcane, potato, cassava and corn. There has been considerable debate about how useful bioethanol is in replacing gasoline. Concerns about its production and use relate to increased food prices due to the large amount of arable land required for crops, as well as the energy and pollution balance of the whole cycle of ethanol production, especially from corn.

Производство

Хотя существует множество способов производства этанола, наиболее распространенным является ферментация. Основные этапы крупномасштабного производства этанола включают: микробную (дрожжевую) ферментацию сахаров, дистилляцию, обезвоживание (требования варьируются, см. раздел «Смеси этанольного топлива» ниже) и денатурацию (необязательно). Перед ферментацией некоторым культурам требуется сахарификация или гидролиз углеводов, таких как целлюлоза и крахмал, до сахаров. Сахарификация целлюлозы называется целлюлолизом (см. целлюлозный этанол). Для преобразования крахмала в сахар используются ферменты.

Ферментация

Этанол получают путем микробиологического брожения сахара. Микробная ферментация в настоящее время работает только непосредственно с сахарами. Два основных компонента растений, крахмал и целлюлоза, состоят из сахаров и, в принципе, могут быть преобразованы в сахара для ферментации. В настоящее время экономически целесообразно перерабатывать только сахар (например, сахарный тростник) и крахмал (например, кукурузу). Существует интерес к целлюлозному этанолу, который получают путем расщепления растительной целлюлозы на сахара и последующего превращения этих сахаров в этанол. Однако, целлюлозный этанол в настоящее время не является экономически выгодным и не производится в коммерческих масштабах. Согласно отчету Международного энергетического агентства за 2006 год, целлюлозный этанол может иметь важное значение в будущем.

Дестилляция

Чтобы этанол мог использоваться в качестве топлива, необходимо удалить твердые остатки дрожжей и большую часть воды. После ферментации брагу нагревают, чтобы этанол испарился. Этот процесс, известный как дистилляция, позволяет выделить этанол, однако его чистота ограничена 95–96% из-за образования низкокипящего азеотропа этанола и воды, содержащего максимум (95,6% масс./масс. (96,5% об./об.) этанола и 4,4% масс./масс. (3,5% об./об.) воды). Эта смесь называется гидратированным этанолом и может использоваться в качестве топлива самостоятельно, но, в отличие от безводного этанола, гидратированный этанол не смешивается с бензином во всех пропорциях, поэтому содержание воды обычно снижают при дальнейшей обработке для использования в смеси с бензином в бензиновых двигателях.

Обезвоживание

Существует три процесса обезвоживания для удаления воды из азеотропной смеси этанол/вода. Первый процесс, используемый на многих ранних заводах по производству топливного этанола, называется азеотропной дистилляцией и заключается в добавлении бензола или циклогексана в смесь. При добавлении этих компонентов смесь 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. После конденсации образуется двухфазная жидкая смесь. Более тяжелая фаза, с низким содержанием вытягивающего агента (бензола или циклогексана), очищается от вытягивающего агента и возвращается в исходную смесь, а более легкая фаза, вместе с конденсатом из процесса очистки, возвращается во вторую колонну. Другой ранний метод, называемый экстрактивной дистилляцией, заключается в добавлении третьего компонента, который повышает относительную летучесть этанола. При дистилляции тройной смеси в верхней части колонны образуется безводный этанол. В связи с растущим вниманием к энергосбережению было предложено множество методов, позволяющих избежать дистилляции при обезвоживании. Среди этих методов выделился третий, который был принят большинством современных заводов по производству этанола. Этот новый процесс использует молекулярные сита для удаления воды из топливного этанола. В этом процессе пар этанола под давлением пропускается через слой молекулярно-ситовых гранул. Размер пор гранул позволяет адсорбировать воду, исключая этанол. Через определенное время слой регенерируется под вакуумом или в потоке инертного газа (например, N2) для удаления адсорбированной воды. Часто используются два слоя, чтобы один мог адсорбировать воду, а другой – регенерироваться. Эта технология обезвоживания позволяет сэкономить 3000 BTU/галлон (840 кДж/л) энергии по сравнению с более ранней азеотропной дистилляцией. Недавние исследования показали, что полное обезвоживание перед смешиванием с бензином не всегда необходимо. Вместо этого азеотропную смесь можно смешивать непосредственно с бензином, чтобы равновесие между жидкими фазами способствовало удалению воды. Двухступенчатая противоточная система смесительно-отстойных резервуаров может обеспечить полное извлечение этанола в топливную фазу с минимальным потреблением энергии.

There are three dehydration processes to remove the water from an azeotropic ethanol/water mixture. The first process, used in many early fuel ethanol plants, is called azeotropic distillation and consists of adding benzene or cyclohexane to the mixture. When these components are added to the mixture, it forms a heterogeneous azeotropic mixture in vapor–liquid liquid equilibrium, which when distilled produces anhydrous ethanol in the column bottom, and a vapor mixture of water, ethanol, and cyclohexane/benzene. When condensed, this becomes a two phase liquid mixture. The heavier phase, poor in the entrainer (benzene or cyclohexane), is stripped of the entrainer and recycled to the feed—while the lighter phase, with condensate from the stripping, is recycled to the second column. Another early method, called extractive distillation, consists of adding a ternary component that increases ethanol's relative volatility. When the ternary mixture is distilled, it produces anhydrous ethanol on the top stream of the column. With increasing attention being paid to saving energy, many methods have been proposed that avoid distillation altogether for dehydration. Of these methods, a third method has emerged and has been adopted by the majority of modern ethanol plants. This new process uses molecular sieves to remove water from fuel ethanol. In this process, ethanol vapor under pressure passes through a bed of molecular sieve beads. The bead's pores are sized to allow adsorption of water while excluding ethanol. After a period of time, the bed is regenerated under vacuum or in the flow of inert atmosphere (e. g. N2) to remove the adsorbed water. Two beds are often used so that one is available to adsorb water while the other is being regenerated. This dehydration technology can account for energy saving of 3,000 btus/gallon (840 kJ/L) compared to earlier azeotropic distillation. Recent research has demonstrated that complete dehydration prior to blending with gasoline is not always necessary. Instead, the azeotropic mixture can be blended directly with gasoline so that liquid liquid phase equilibrium can assist in the elimination of water. A two stage counter current setup of mixer settler tanks can achieve complete recovery of ethanol into the fuel phase, with minimal energy consumption.

Вопросы воды после производства

Этанол гигроскопичен, то есть он поглощает водяной пар непосредственно из атмосферы. Поскольку поглощенная вода снижает теплотворную способность этанола и может вызвать расслоение этанол-бензиновых смесей (что приводит к остановке двигателя), емкости с этанольным топливом необходимо герметично закрывать. Эта высокая смешиваемость с водой означает, что этанол нельзя эффективно транспортировать по современным трубопроводам, подобно жидким углеводородам, на большие расстояния. Предельное содержание воды в этанол-бензиновом топливе, при котором не происходит расслоения, увеличивается с ростом процентного содержания этанола. Например, E30 может содержать до 2% воды. Если содержание этанола превышает 71%, оставшаяся часть может состоять из любой пропорции воды и бензина, и расслоение не происходит. Экономичность расхода топлива снижается с увеличением содержания воды. Повышенная растворимость воды при более высоком содержании этанола позволяет хранить E30 и гидратированный этанол в одном резервуаре, поскольку любая их комбинация всегда образует однородную фазу. При более низких температурах допустимое содержание воды несколько снижается. Для E10 это примерно 0,5% об./об. при 21 °C, что уменьшается до примерно 0,23% об./об. при -34 °C.

Системы потребительской продукции

В то время как системы производства биодизеля предлагаются домашним и коммерческим пользователям уже много лет, коммерческие системы производства этанола, разработанные для конечных потребителей, появились на рынке значительно позже. В 2008 году две различные компании представили системы для производства этанола в домашних условиях. Система AFS125 Advanced Fuel System от Allard Research and Development способна производить как этанол, так и биодизель в одном устройстве, а E 100 MicroFueler от E Fuel Corporation предназначена исключительно для производства этанола.

Экономия топлива

Этанол содержит примерно на 34% меньше энергии на единицу объема, чем бензин, и поэтому теоретически сжигание чистого этанола в транспортном средстве уменьшает пробег на единицу топлива на 34%, при той же топливной экономичности, по сравнению с сжиганием чистого бензина. Однако, поскольку этанол имеет более высокое октановое число, двигатель можно сделать более эффективным, повысив его степень сжатия. Для E10 (10% этанола и 90% бензина) увеличение расхода топлива в немодифицированных транспортных средствах незначительно (до 2,8%) по сравнению с обычным бензином и еще меньше (1–2%) по сравнению с обогащенными кислородом и переформулированными смесями. Для E85 (85% этанола) эффект становится значительным. E85 обеспечивает меньший пробег, чем бензин, и требует более частой заправки. Фактическая производительность может варьироваться в зависимости от транспортного средства. По результатам испытаний EPA для всех моделей E85 2006 года, средняя топливная экономичность автомобилей E85 была на 25,56% ниже, чем у бензина без свинца. При сравнении цен следует учитывать заявленный EPA пробег современных автомобилей с гибким топливом в Соединенных Штатах, но E85 является высокопроизводительным топливом с октановым числом около 94–96 и должен сравниваться с премиальным бензином. 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 модификациях.

Холодная начало зимой

Смеси с высоким содержанием этанола создают проблему достижения достаточного давления паров для испарения топлива и воспламенения в холодную погоду (поскольку этанол имеет тенденцию повышать удельную энтальпию испарения топлива). При давлении паров ниже 45 кПа запуск холодного двигателя становится затруднительным. Чтобы избежать этой проблемы при температурах ниже 11 °C (52 °F) и снизить выбросы этанола в холодную погоду, рынки США и Европы приняли E85 в качестве максимальной смеси для использования в автомобилях с гибким топливным баком, и эти автомобили оптимизированы для работы с такой смесью. В регионах с суровыми зимами содержание этанола в топливе в США сезонно снижается до E70 для этих особо холодных регионов, хотя топливо по-прежнему продается как E85. В местах, где температура зимой опускается ниже 12 °C (10 °F), рекомендуется устанавливать систему подогрева двигателя как для бензиновых, так и для автомобилей, работающих на E85. В Швеции также применяется сезонное снижение, но содержание этанола в смеси снижается до E75 в зимние месяцы. Бразильские автомобили с гибким топливным баком могут работать на этанольных смесях до E100, представляющих собой гидратированный этанол (содержащий до 4% воды), что приводит к более быстрому падению давления паров по сравнению с автомобилями, работающими на E85. В результате бразильские автомобили с гибким топливным баком оснащены небольшим дополнительным бензобаком, расположенным рядом с двигателем. При холодном запуске впрыскивается чистый бензин, чтобы избежать проблем с запуском при низких температурах. Это особенно важно для пользователей в южных и центральных регионах Бразилии, где зимой температура обычно опускается ниже 15 °C (59 °F). В 2009 году было представлено улучшенное поколение двигателей с гибким топливным баком, которое устранило необходимость во вторичном бензобаке. В марте 2009 года Volkswagen do Brasil представил Polo E Flex – первую бразильскую модель с гибким топливным баком, не оснащенную вспомогательным баком для холодного запуска.

Бразильская программа по производству этанола

С 1970-х годов в Бразилии действует программа по производству этанола, благодаря которой страна стала вторым в мире производителем этанола (после Соединенных Штатов) и крупнейшим экспортером. В бразильской программе используются современное оборудование и недорогая сахарная тростница в качестве сырья, а остатки тростникового жмыха (багасса) применяются для производства тепла и электроэнергии. В Бразилии больше не эксплуатируются легковые автомобили, работающие исключительно на бензине.

Загрязнение воздуха

По сравнению с обычным бензином без содержания свинца, этанол является топливом, при сгорании не выделяющим твердые частицы, которое сгорает с кислородом, образуя углекислый газ, угарный газ, воду и альдегиды. Закон о чистом воздухе требует добавления кислородсодержащих веществ для снижения выбросов угарного газа в Соединенных Штатах. Добавка MTBE в настоящее время выводится из использования из-за загрязнения грунтовых вод, поэтому этанол становится привлекательной альтернативной добавкой. Современные методы производства включают загрязнение воздуха при производстве макроэлементных удобрений, таких как аммиак. Исследование, проведенное атмосферными учеными из Стэнфордского университета, показало, что использование топлива E85 увеличивает риск смертности от загрязнения воздуха по сравнению с бензином на 9% в Лос-Анджелесе, США: крупном, урбанизированном мегаполисе, ориентированном на автомобильный транспорт, представляющем собой наихудший сценарий. Уровень озона значительно возрастает, что приводит к увеличению фотохимического смога и обострению таких заболеваний, как астма. Бразилия использует значительные объемы этанольного биотоплива. Были проведены исследования методом газовой хроматографии проб атмосферного воздуха в Сан-Паулу (Бразилия) и Осаке (Япония), которая не использует этанольное топливо. Концентрация атмосферного формальдегида в Бразилии была на 160% выше, а ацетальдегида – на 260% выше.

Диоксид углерода

[[Файл:BioEthanolFootprint.jpg|right|thumb|350px|Расчет правительства Великобритании интенсивности выбросов углерода биоэтанола из кукурузы, выращенной в США и сожженной в Великобритании.

В статье Science за январь 2006 года, опубликованной ERG Калифорнийского университета в Беркли, после анализа большого количества исследований, предполагаемое сокращение выбросов парниковых газов за счет кукурузного этанола оценивалось в 13%. В исправлении к этой статье, опубликованном вскоре после выхода в свет, эта оценка была снижена до 7,4%. Обзорная статья National Geographic (2007).

Дополнительной проблемой является то, что производство требует обработки новых земель, что приводит к однократному выбросу парниковых газов, компенсация которого за счет последующего сокращения выбросов может занять десятилетия или даже столетия. Например, перевод пастбищ под выращивание кукурузы для производства этанола требует около столетия ежегодной экономии, чтобы компенсировать выбросы парниковых газов, возникшие при первоначальной обработке почвы. Существуют утверждения, что земли для производства этанола приобретаются путем вырубки лесов, в то время как другие отмечают, что территории, занятые лесами, как правило, не подходят для выращивания сельскохозяйственных культур. В любом случае, сельское хозяйство может привести к снижению плодородия почвы из-за уменьшения содержания органических веществ, ухудшению доступности и качества воды, увеличению использования пестицидов и удобрений, а также к возможному перемещению местных сообществ. Новые технологии позволяют фермерам и переработчикам производить тот же объем продукции, используя меньше ресурсов. Исследователи продолжают поиск более экономичных решений в области целлюлозного этанола и передовых автомобильных аккумуляторов.

Расходы на здравоохранение от выбросов этанола

На каждый миллиард галлонов топлива, эквивалентных этанолу, 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 на биоперерабатывающем заводе (природный газ, кукурузная повальная древесина или уголь) и используемой технологии, но лишь 123–208 миллионов долларов для целлюлозного этанола в зависимости от используемого сырья (биомасса прерий, мискантус, кукурузная повальная древесина или мискантус переключающий).

Снижение импорта и затрат на нефть

Одним из обоснований масштабного производства этанола в США является его вклад в энергетическую безопасность, за счет снижения зависимости от импортируемой нефти и перехода к отечественным источникам энергии. Производство этанола требует значительных энергетических затрат, однако большая часть энергии, используемой в текущем производстве в США, поступает из угля, природного газа и других источников, а не из нефти. Поскольку 66% потребляемой в США нефти импортируется, в то время как уголь производится с избытком, а природного газа импортируется лишь 16% (данные за 2006 год), замена нефтепродуктов этанолом приводит к общему переходу от иностранных к отечественным источникам энергии в США. Согласно анализу 2008 года, проведенному Университетом штата Айова, увеличение производства этанола в США привело к снижению розничных цен на бензин на 0,29–0,40 доллара США за галлон по сравнению с тем, что было бы без этого.

Автоспортивные соревнования

Леон Дюрей квалифицировался третьим для автогонки "Индианаполис 500" 1927 года на автомобиле, работающем на этаноле. Серия IndyCar внедрила 10%-ную смесь этанола в сезоне 2006 года, а в 2007 году – 98%-ную. Американский чемпионат Le Mans Series по спортивным автомобилям в сезоне 2007 года представил E10, заменив им чистый бензин. В сезоне 2008 года E85 был разрешен в классе GT, и команды начали переходить на него. В 2011 году три национальные серии NASCAR обязали перейти с бензина на E15 – смесь неэтилированного гоночного топлива Sunoco GTX и 15% этанола. Австралийский чемпионат V8 Supercar использует Shell E85 в качестве гоночного топлива. Чемпионат Stock Car Brasil работает на чистом этаноле, E100. Этанол также может использоваться в качестве ракетного топлива. По состоянию на 2010 год небольшие количества этанола используются в легких ракетных гоночных самолетах.

Заместительное топливо для приготовления пищи

Проект Gaia — это неправительственная некоммерческая организация из США, занимающаяся созданием коммерчески жизнеспособного рынка бытового топлива на основе спирта в Эфиопии и других странах развивающегося мира. Проект рассматривает спиртовое топливо как решение проблемы дефицита топлива, экологического ущерба и проблем со здоровьем населения, вызванных традиционными способами приготовления пищи в развивающихся странах. Ориентируясь на бедные и маргинализированные сообщества, страдающие от проблем со здоровьем из-за готовки на загрязняющих дровах, Gaia в настоящее время работает в Эфиопии, Нигерии, Бразилии, Гаити и Мадагаскаре и находится на стадии планирования проектов в ряде других стран.