Введение

E85 – это сокращение, обычно обозначающее топливную смесь, состоящую из 85% этанола и 15% другого углеводорода по объему. В Соединенных Штатах точное соотношение этанола к углеводороду может варьироваться в соответствии со стандартом ASTM 5798, который определяет допустимое содержание этанола в E85 в диапазоне от 51% до 83%. Это связано с более низкой теплотворной способностью чистого этанола, из-за чего запуск двигателей в относительно холодных климатических условиях затруднен без предварительного подогрева воздуха, более быстрого прокручивания стартера или смешивания различных фракций бензина в зависимости от климата. Сложность холодного запуска в холодных климатических условиях является основной причиной смешивания этанольного топлива с бензиновыми фракциями. В Бразилии этаноловое топливо продается в чистом виде, поэтому автомобили с гибким топливным двигателем (FFV), включая грузовики, тракторы, мотоциклы и мопеды, работают на E100. Фракция 85% обычно продается на заправочных станциях по всему миру (за пределами США), и при поставке или продаже под названием E85 всегда содержит 85% этанола (на заправочных станциях или в бочках). Гарантированное содержание этанола устраняет необходимость в системе автомобиля для расчета оптимальной настройки двигателя с целью максимизации производительности и экономичности. В таких странах, как Австралия, где E85 всегда содержит 85% этанола (а топливо с различным содержанием фракций называется "гибким топливом"), энтузиасты автоспорта и гоночные клубы/чемпионаты широко используют E85 (без необходимости сертификации FFV). Использование спиртов (этанола и метанола) в истории автогонок восходит к изобретению автомобиля и обусловлено присущими им характеристиками сгорания, такими как высокая тепловая эффективность, высокое октановое число, повышенный крутящий момент и, в некоторых современных двигателях, улучшенное удельное потребление топлива. В Соединенных Штатах государственные субсидии на этанол в целом и E85 в частности способствовали развитию инфраструктуры розничной продажи E85, особенно в штатах Среднего Запада, где выращивают кукурузу.

Удельный расход топлива

Сторонники E85 и Общество инженеров-автомобилей утверждают, что производители автомобилей в настоящее время не достигают такой же экономичности, как у бензиновых двигателей, поскольку не используют преимущества, присущие топливным смесям на основе этанола. Они заявляют, что некоторые этанольные двигатели уже продемонстрировали на 22% больший пробег на галлон по сравнению с идентичными бензиновыми двигателями. Сторонники этанола также считают ошибкой проектировать этанольные двигатели по аналогии с бензиновыми, полагая, что их следует разрабатывать на основе параметров, используемых в дизельных двигателях. Применяя такой подход, EPA создала двигатель, работающий исключительно на этаноле, который достигает значительно более высокого уровня тормозной тепловой эффективности, чем бензиновые двигатели. Экономичность зависит от состава этаноло-бензиновой смеси, трансмиссии и степени настройки двигателя (прежде всего, соотношения топлива и воздуха, момента зажигания и степени сжатия). В Соединенных Штатах для компенсации разницы в потреблении топлива в автомобилях, не оптимизированных для использования этанола, был принят закон о субсидировании его стоимости.

Энергетическая ценность

В отличие от этого, критики этанола оспаривают преимущества E85, указывая на то, что теплотворная способность E85 на 33% ниже, чем у бензина. Однако сравнение энергии, выраженной в виде тепловой ценности, не отражает полную работу, совершаемую в цикле Отто. Поскольку энергетическое содержание не учитывает скрытую или удельную теплоту, а также давление сгорания, рассмотрение только теплоты в уравнении сгорания не позволяет определить эффективность или полезную работу в соответствии с законами термодинамики.

Использование в транспортных средствах с гибким топливом

Этанол E85 используется в двигателях, модифицированных для работы с более высоким содержанием этанола. В США такие автомобили с гибким топливом (FFV) рассчитаны на работу с любой смесью бензина и этанола, содержащей до 85% этанола, в то время как в странах с более теплым климатом, таких как Бразилия, FFV работают на чистом спирте. Существует несколько ключевых отличий между FFV и автомобилями, не предназначенными для работы с гибким топливом. Одно из них – отсутствие незащищенных магниевых, алюминиевых и резиновых деталей в топливной системе. Системы управления впрыском топлива имеют более широкий диапазон длительности импульсов для впрыска до 34% больше топлива (что, в свою очередь, обеспечивает большую мощность). Применяются топливопроводы из нержавеющей стали, иногда с пластиковым покрытием, и топливные баки из нержавеющей стали вместо баков из терна (жести). В некоторых случаях в FFV используется специальное моторное масло, нейтрализующее кислотность. Для автомобилей с топливными насосами, установленными в баке, иногда принимаются меры предосторожности для предотвращения искрения, а также устанавливаются пламегасители в заливной горловине бака.

Октановое значение

По мере того, как прилагаются усилия для максимальной настройки двигателя с целью использования преимуществ более высокого октанового числа E85, двигатели демонстрируют значительное увеличение мощности. Koenigsegg CCXR – один из автомобилей, который выигрывает в мощности при работе на этаноле: на E85 он является пятым по мощности серийным автомобилем, выдавая на 20% больше лошадиных сил, чем на бензине. По словам производителя, это обусловлено охлаждающими свойствами этанола. Октановое число E85 выше, чем у обычного бензина с типичным показателем 87, или у премиального бензина с показателем 91-93. Это позволяет использовать его в двигателях с более высокой степенью сжатия, которые, как правило, производят больше мощности на единицу рабочего объема, чем бензиновые двигатели. Примеры неверного указания октанового числа можно найти в Iowa Renewable Fuels Association в документе "E85 Facts", где указан диапазон 100-105, а также в документе Texas State Energy Conservation Office под названием "Ethanol", где указано значение 113. Некоторые автомобили можно переоборудовать для работы на E85, даже если они изначально не были для этого предназначены. Благодаря более низкой теплотворной способности E85 обеспечивает более холодный впускной воздух, который, в сочетании с его высокой стабильностью благодаря высокому октановому числу, также используется как "усилитель мощности" в турбированных автомобилях. Эти модификации не только привели к снижению выбросов парниковых газов, но и обычно обеспечивают увеличение мощности и крутящего момента на колесах на 10-12%. В тех случаях, когда двигатель ранее был ограничен детонацией на бензине, прирост мощности может достигать 40%. Благодаря низкой цене и высокой доступности в некоторых регионах, E85 все чаще используется вместо высококачественного гоночного топлива, которое обычно стоит более 10 долларов США за галлон.

Выбросы

Существует четыре основных типа загрязняющих веществ, которые изучают ученые. Эти выбросы – углеводороды (HC), оксиды азота (NOx), оксид углерода (CO) и диоксид углерода (CO2). Поскольку E85 состоит преимущественно из этанола, выхлопные газы значительно отличаются от выхлопных газов обычного бензина. Многочисленные исследования сравнивали различные выбросы и их влияние на окружающую среду, но результаты оказались непоследовательными. Тесты показали очень мало, если вообще какую-либо, согласованность из-за большого количества переменных. Марка и модель автомобиля, способ производства этанола и общая топливная эффективность автомобиля оказывают существенное влияние на результаты каждого исследования. Для решения проблемы неточности инженеры Национальной лаборатории возобновляемой энергии объединили данные из всех соответствующих исследований выбросов и составили единый набор данных. Этот объединенный набор данных показал, что в среднем все выбросы, регулируемые федеральным законодательством, либо снизились, либо не имели статистически значимой разницы между E85 и бензином. Строгие стандарты EPA Tier II по выбросам транспортных средств требуют, чтобы FFV достигали одинаково низкого уровня выбросов независимо от использования E85 или бензина. Однако E85 может дополнительно снизить выбросы определенных загрязняющих веществ по сравнению с обычным бензином или смесями с меньшим содержанием этанола. Например, E85 менее летуч, чем бензин или смеси с низким содержанием этанола, что приводит к снижению испаряемых выбросов. Использование E85 также снижает выбросы оксида углерода и значительно сокращает выбросы многих вредных токсичных веществ, включая бензол, известный канцероген для человека. Однако при определенных режимах работы двигателя E85 может увеличить выбросы ацетальдегида. EPA проводит дополнительный анализ для углубления понимания влияния выбросов E85.

Экономика

Исследование, проведенное Университетом Пердью, показало, что экономическая выгода от использования E85 сильно зависит от цены на нефть.

Пища против топлива

Критики E85 утверждают, что производство этанола из кукурузы повышает мировые цены на продовольствие, делая кукурузу недоступной или даже дефицитной. Сторонники E85 возражают, указывая на то, что более 93% всей кукурузы, выращенной в США, не идет непосредственно в пищу людям, а используется в качестве корма для скота. Кукуруза, используемая для производства этанола, содержит много крахмала и плохо усваивается человеком, в отличие от сладкой кукурузы. Американские фермеры выращивают больше кукурузы, чем покупается, и в США ежегодно наблюдается ее избыток.

Сторонники E85 утверждают, что рост цен на кукурузу связан с манипуляциями на товарных рынках и увеличением экспорта американской кукурузы в Мексику и Китай, что создает конкуренцию среди покупателей и, следовательно, повышает цену. Критики E85 считают, что производители этанола могут не снижать выбросы углерода из-за использования нефти и природного газа при выращивании и переработке кукурузы. Сторонники E85 отвечают, указывая на производителей, которые используют E85 или биодизельное топливо для транспортировки этанола и биомассу в качестве источника тепла для дистилляции вместо нефтепродуктов, таких как природный газ. Некоторые считают, что целлюлозный этанол, получаемый из отходов или быстрорастущих непищевых культур, например, мискантуса, гораздо более полезен, но пока экономически невыгоден в больших масштабах. Другие полагают, что мир может легко заменить все потребление нефти, производя этанол из многих культур, дающих больше этанола на акр, чем кукуруза, используя существующие, а не будущие технологии. При этом некоторые участники рынка целлюлозного этанола больше заинтересованы в патентных правах, чем в максимальном объеме производства этанола по минимальной цене.

Доступность и цена

E85 становится все более распространенным в Соединенных Штатах, преимущественно на Среднем Западе, где кукуруза является основной сельскохозяйственной культурой и основным сырьем для производства этанольного топлива. По состоянию на 1 июля 2014 года насчитывалось более 3300 автозаправочных станций, предлагающих топливо E85. E85 широко используется в качестве топлива в Швеции, однако большая его часть импортируется из Италии и Бразилии. Ранее E85 был доступен в сети Maxol в Ирландии, где он производился из сыворотки – побочного продукта производства сыра. Продажи были прекращены в 2011 году из-за значительного повышения акцизного налога, что сделало его экономически невыгодным. В Финляндии E85 доступен на 52 заправочных станциях сети St1 и на 71 станции сети ABC. E85, продаваемый St1, маркируется как RE85, а на станциях ABC – как "Eko E85", что указывает на его производство из финских биоотходов. В качестве международного сравнения цен, на островах Кука, как и на многих островах Тихого океана, стоимость производства 100% этанола из кокосовой биомассы значительно ниже стоимости получения ископаемого топлива. Во Франции около 30% автозаправочных станций предлагают E85, то есть примерно 2725 станций, а количество установленных комплектов для работы на гибком топливе в 2021 году удвоилось по сравнению с предыдущим годом, достигнув 30 000 комплектов. E85 был запущен в Великобритании 14 марта 2006 года сетью супермаркетов Morrisons. Филиал Morrisons в Норвиче стал первой заправочной станцией, предложившей E85. Однако спрос был очень низким, и сейчас E85 доступен лишь в небольшом количестве торговых точек.

Регулирование цен в США

Американский закон о создании рабочих мест 2004 года учредил акцизный налоговый кредит на объемный этанол (VEETC) для субсидирования производственных расходов. Закон о фермерских хозяйствах 2008 года снизил налоговый кредит VEETC с 51 цента до 45 центов. Среди других мер, предпринятых Конгрессом для стимулирования производства этанола, – закон VEETC 2004 года, предусматривавший налоговый кредит для малых производителей этанола, предоставлявший налоговые льготы небольшим предприятиям, производящим этанол. Недавно Закон о налоговых льготах, Закон о продлении пособий по безработице и Закон о создании рабочих мест 2010 года продлили действие налоговых льгот, предусмотренных VEETC, с конца 2010 года до конца 2012 года. В Соединенных Штатах для достижения сопоставимой топливной экономичности на заправке при использовании FFV, цена E85 должна быть значительно ниже, чем цена бензина. В большинстве регионов в 2011 году E85 стоил как минимум на 20% дешевле бензина. В одном из тестов, проведенных в США, Chevy Tahoe FFV 2007 года показал средний расход 18,3 MPG (галлонов США) для бензина и 13,5 MPG для E85, что на 26,5% хуже, чем для бензина. Однако в Австралии, где Holden продал более 70 000 FFV с 2010 года, разница в общем расходе топлива на аналогичных V8-модификациях семейных седанов составляет от 10% до 20%. В 2010 году средняя стоимость топлива в США составляла 3,42 доллара США, а средняя стоимость E85 – 3,09 доллара США, или 90% от стоимости бензина. В другом тесте флот Ford Taurus продемонстрировал всего на 6% меньший пробег на галлон топлива в автомобилях, работающих на этаноле, по сравнению с традиционными Taurus, работающими на бензине.