Введение

Соединенные Штаты производят в основном биодизельное топливо и этанольное топливо, в котором кукуруза используется в качестве основного сырья. США являются крупнейшим в мире производителем этанола, произведя почти 16 миллиардов галлонов только в 2017 году. На долю США и Бразилии приходится 85 процентов всего производства этанола, а общий мировой объем производства составляет 27 миллиардов и 560 миллионов литров. Биодизель коммерчески доступен в большинстве штатов, производящих масличные семена. В 2005 году он был несколько дороже, чем ископаемый дизельный дизель, хотя он все еще обычно производится в относительно небольших количествах (по сравнению с нефтепродуктами и этанольным топливом). Биотопливо в основном используется в смеси с ископаемым топливом. Они также используются в качестве добавок. Самым крупным потребителем биодизеля является армия США. Большинство легких автомобилей, которые сегодня ходят по дорогам США, могут работать на смесях до 10% этанола, а производители автомобилей уже производят автомобили, предназначенные для работы на гораздо более высоких смесях этанола. Спрос на биоэтанольное топливо в Соединенных Штатах был стимулирован открытием в конце 90-х годов, что метил-третичный бутил-эфир (MTBE), кислородная добавка в бензине, загрязняет подземные воды. Задача заключается в расширении рынка биотоплива за пределы сельскохозяйственных штатов, где они были наиболее популярны на сегодняшний день. Транспортные средства с гибким топливом помогают в этом переходе, поскольку они позволяют водителям выбирать различные виды топлива в зависимости от цены и наличия. Растущая промышленность этанола и биодизеля обеспечивает рабочими местами в строительстве, эксплуатации и обслуживании заводов, в основном в сельских общинах. По данным Ассоциации возобновляемых видов топлива, только в 2005 году этанольная промышленность создала почти 154 000 рабочих мест в США, увеличив доход домохозяйств на 5,7 миллиарда долларов. Кроме того, он принес около 3,5 миллиардов долларов налоговых поступлений на местном, государственном и федеральном уровнях. С другой стороны, в 2010 году отрасль получила $6,646 млрд в виде федеральной поддержки (не считая государственной и местной поддержки). На основе средней урожайности кукурузы в США за 2007-2012 годы, конверсия всего урожая кукурузы в США даст 34,4 миллиарда галлонов этанола, что составляет примерно 25% потребности в готовом моторном топливе в 2012 году.

История

В США биотопливо использовалось в начале 20-го века. Например, модели Ford T работали на этаноле. Затем интерес к биотопливу снизился до первого и второго нефтяных кризисов (1973 и 1979). Министерство энергетики создало Национальную лабораторию возобновляемой энергии в 1974 году и начало работать в 1977 году. NREL публикует статьи о биотопливах. Конгресс также проголосовал за Закон об энергетической политике в 1994 году и новый в 2005 году для продвижения возобновляемых видов топлива. Конгресс установил регулярные в соответствии с Законом об энергетической политике 2005 года, предназначенный для поощрения смешивания возобновляемых видов топлива в нашей стране поставки топлива для автомобилей. Конгресс поддержал программу возобновляемых источников топлива в соответствии с Законом об энергетической независимости и безопасности 2007 года, чтобы содержать конкретные ежегодные объемные стандарты для полного возобновляемого топлива, а также для фиксированных групп возобновляемых источников топлива дизельного топлива на основе биомассы, биотоплива и передового биотоплива. В переоцененные законодательные требования также включены новые критерии как для возобновляемых видов топлива, так и для сырья, используемого для их производства, включая пороговые значения выбросов парниковых газов в течение всего жизненного цикла.

Смеси с низким содержанием этанола

Большинство автомобилей, которые сегодня ходят по дорогам США, могут работать на смесях до 10% этанола (E10), а производители автомобилей уже производят автомобили, предназначенные для работы на гораздо более высоких смесях этанола. Хотя E10 является обязательным только в 10 штатах, этанольные смеси в США доступны в других штатах в качестве опциона или добавляются в более низких процентах в качестве замены MTBE (используемого для кислородности бензина) без каких-либо маркировок, что делает E смеси присутствующими в двух третей поставок газа в США.

Транспортные средства на гибком топливе

Ford, DaimlerChrysler и GM - одни из автомобильных компаний, которые продают автомобили, грузовики и минивэны с "гибким топливом", которые могут использовать бензин и смеси этанола от чистого бензина до 85% этанола (E85). К середине 2008 года на дорогах США было около семи миллионов транспортных средств, совместимых с E85. Однако, опрос 2005 года показал, что 68% американских владельцев автомобилей с гибким топливом не знали, что они владеют E85 flex. С 2006 года многие новые модели FFV в США имеют ярко-желтую крышку газа, чтобы напомнить водителям о возможностях E85, а GM также использует значок с текстом "Flexfuel / E85 Ethanol", чтобы четко обозначить автомобиль как E85 FFV. Основным ограничением, препятствующим продажам гибких автомобилей E85 или заправке с E85, является ограниченная инфраструктура, доступная для продажи E85 общественности, поскольку к октябрю 2008 года в США было только 1802 заправочных станций, продающих E85 общественности, с большой концентрацией станций E85 в штатах Корнового пояса, во главе с Миннесотой с 357 станциями, больше, чем в любом другом штате, за которыми следуют Иллинойс с 189, Висконсин с 118 и Миссури с 112. Только в семи штатах E85 не доступен для общественности: Аляска, Гавайи, Мэн, Нью-Гэмпшир, Нью-Джерси, Род-Айленд и Вермонт. Chrysler, General Motors и Ford пообещали, что 50% всех своих автомобилей будут производить в качестве гибкого топлива в 2012 году, если будет развита инфраструктура для заправки. Что касается энергетической политики, то избранный президент Барак Обама в ходе своей предвыборной кампании пообещал значительно сократить потребление нефти, приняв меры, которые, среди прочего, включают обязательство всех новых транспортных средств иметь возможность использования FFV к концу 2013 года.

Биодизель

GreenHunter Energy, Inc. начала коммерческую деятельность на своем биодизельном заводе в Хьюстоне, штат Техас, который может производить биодизельное топливо. Эта мощность делает его крупнейшим биодизельным заводом в Соединенных Штатах, едва опережая биодизельный завод, построенный Imperium Renewables в Вашингтоне. Для сравнения, согласно данным Национального совета по биодизельному топливу (NBB), общая производственная мощность США по биодизельному топливу достигла в 2007 году, хотя плохие рыночные условия удерживали производство в 2007 году примерно на уровне . В 2006 году Fuel Bio открыл крупнейший завод по производству биодизеля на восточном побережье Соединенных Штатов в Элизабет, штат Нью-Джерси. Производство Fuel Bio способно производить объем биодизельного топлива в год.

Метанольное топливо

Метанол впервые был получен из пиролиза древесины, в результате чего его общее английское название - древесный спирт. В настоящее время метанол обычно производится с использованием метана (главного компонента природного газа) в качестве сырья. Он также может быть получен путем пиролиза многих органических материалов или путем Фишера-Тропша из синтетического газа, поэтому его называют биометанолом. Производство метанола из синтетического газа с использованием Biomass To Liquid может обеспечить производство метанола из биомассы с эффективностью до 75%. Широкое производство по этому пути имеет потенциал (см. ссылку Olah выше), чтобы предложить топливо метанола по низкой цене и с преимуществами для окружающей среды. Однако эти методы производства не подходят для мелкого производства. Успешные испытательные программы в Европе и США, в основном в Калифорнии, были проведены с использованием транспортных средств на гибком топливе метанола, известных как транспортные средства на гибком топливе M85. Ford начал разработку гибкого топливного автомобиля в 1982 году, и в период с 1985 по 1992 год было построено и доставлено в Калифорнию и Канаду 705 экспериментальных FFV, включая Ford Escort 1.6L, Taurus 3.0L и Crown Victoria LTD 5.0L. Эти транспортные средства могли работать на бензине или метаноле с одной топливной системой. Законодательство было принято для поощрения автомобильной промышленности США к началу производства, которое началось в 1993 году для M85 FFVs в Ford. В 1996 году был разработан новый FFV Ford Taurus, с моделями, полностью способными работать на метаноле или этаноле, смешанном с бензином. Эта этанольная версия Taurus стала первым коммерческим производством FFV E85. В американских автомобильных компаниях продолжался рост производства FFV, хотя к концу 1990-х годов акцент сместился на версию E85, как это происходит сегодня. В 2005 году губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер прекратил использование метанола после 25 лет и 200 миллионов миль успешной работы, чтобы присоединиться к расширяющемуся использованию этанола, стимулируемому производителями кукурузы. Несмотря на это, он был оптимистичен в отношении будущего программы, утверждая, что "она вернется". В настоящее время (по состоянию на 2009 год) этанол стоит от 2 до 3 долларов за галлон, в то время как метанол, полученный из природного газа, остается на уровне 47 центов за галлон. В настоящее время в Калифорнии более 60 действующих автозаправочных станций поставляют метанол в свои насосы.

Бутанольное топливо

Команда инженеров-химиков из Университета Арканзаса разработала метод превращения обычных водорослей в бутанол, который может использоваться в качестве топлива в существующих бензиновых двигателях внутреннего сгорания. Водоросли выращиваются на "порожках" и их рост усиливается за счет доставки высокой концентрации углекислого газа через полые волокнистые мембраны. Были подняты вопросы о количестве энергии, необходимой для производства этанола топливного класса по сравнению с количеством энергии, выделяемой при сжигании. В зависимости от того, кого вы спросите, вы можете получить разный ответ на вопрос, производит ли этанол из кукурузы больше энергии, чем потребляет. Поэтому такие компании, как BP и DuPont, рассматривают биотопливо следующего поколения, в частности, изучая бутанол. Особые преимущества использования бутанола по сравнению с этанолом включают более высокое энергетическое содержание на кг, возможность смешивания при более высоких концентрациях без дальнейшей адаптации транспортных средств и возможность использования существующей инфраструктуры хранения/транспорта. Однако использование кукурузы в качестве сырья для производства этанола или бутанола кажется невозможным без значительных технологических улучшений в отношении урожайности. В настоящее время около 50 000 тонн бутанола может быть произведено на бушель кукурузы (л/т). Между тем, около 0,5% этанола может быть произведено на бушель кукурузы (л/т). Наше текущее производство этанола составляет около , но оно требует 20% урожая кукурузы Соединенных Штатов и только заменяет 1% его потребления нефти.

Возобновляемый природный газ (ВПГ)

Многие материалы из целлюлозной биомассы производят метан естественным путем. Метан является основным компонентом природного газа. Природный метан часто считается источником загрязнения от свалок, молочных ферм и источников человеческих отходов. Агентство по охране окружающей среды регулярно издает правила, направленные на сокращение выбросов метана с полигонов и других источников. Естественно происходящие выбросы метана, обычно называемые полигоном или биогазом, недостаточно чисты, чтобы вводить их непосредственно в систему национального газопровода США, но технология для этого была разработана. Газ, поступающий из трубопровода, называется возобновляемым природным газом (ВПГ). В июле 2014 года EPA вынесло решение о том, что СПГ, произведенный на свалках, будет квалифицироваться как топливо, соответствующее требованиям D3 RIN в соответствии с RFS2. За один месяц генерация D3 RIN выросла с 4000 зарегистрированных в июле до 3,49 млн в августе 2014 года. Как видно из 4000 кредитов D3 RIN, выданных в июле 2014 года, до принятия решения EPA о том, что СНГ из свалок будет квалифицироваться как топливо D3, промышленность мало продвинулась в разработке экономически жизнеспособного топлива D3. Производство D3 RIN продолжало расти, и 2 года спустя, в августе 2016 года, оно составило 15,6 млн EGE (галонов, эквивалентных этанолу). В 2015 году более 98% кредитов D3 RIN были выданы на RNG. Американский совет по биогазу считает, что 17,9 миллиарда дизельных галлонов эквивалентов RNG могут быть произведены каждый год из существующего потока отходов США.

Луизиана

Исследователи из Государственного университета Луизианы в Институте биотоплива и биопереработки изучают регулярное производство биомассы для экономически жизнеспособного преобразования в биотопливо и биоэнергию с использованием существующей инфраструктуры нефтеперерабатывающих заводов. В этом проекте, названном "Инициатива по устойчивым биопродуктам LSU AgCenter", участвует команда партнеров из университетов и промышленности, которые изучают, как использовать энергетический тростник и сладкий сорго, чтобы помочь оживить сахарную и химическую промышленность Луизианы. Проект позволит расширить сельскохозяйственный сектор южных регионов США за счет использования сладкого сорго и энергетического тростника для производства бутанола, бензина, изопрена и побочных химических веществ. Разработчики полагают, что проект в конечном итоге внесет значительный вклад в улучшение благосостояния сельских районов и создание рабочих мест в южном регионе Соединенных Штатов.

Мичиган

Исследователь из Мичиганского государственного университета Брюс Дейл говорит, что 30% энергии США может быть достигнуто к 2030 году. Выбросы парниковых газов снижаются на 86% для целлюлозы по сравнению с 29% для кукурузы. Сейчас в Грузии строится завод, который будет производить до 500 тонн в год.

Миннесота

Губернатор Миннесоты Тим Пауленти подписал закон 12 мая 2008 года, который требует, чтобы все дизельное топливо, продаваемое в штате для использования в двигателях внутреннего сгорания, содержало не менее 20% биодизеля к 1 мая 2015 года.

Орегон

Губернатор штата Орегон Тед Кулоноски подписал закон в июле 2007 года, который требует, чтобы весь бензин, продаваемый в штате, смешивался с 10% биоэтанолом (смесь, известная как BE10) и все дизельное топливо, продаваемое в штате, смешивалось с 2% биодизелем (смесь, известная как BD2). В Орегоне в настоящее время есть единственная станция биотоплива в стране, которая может использоваться любым типом транспортного средства.

Проекты Министерства энергетики США

Министерство энергетики Соединенных Штатов объявило, что оно выбрало шесть университетских проектов по передовым биотопливам, которые получат до $4,4 млн, с учетом годовых ассигнований. Победители - Georgia Tech Research Corporation, Университет Джорджии, Университет Мэна, Университет штата Монтана, Технологический институт Стивена в Нью-Джерси и Университет Толедо в Огайо - получат финансирование для проведения исследований и разработки экономически эффективных, экологически чистых технологий преобразования биомассы для превращения непродовольственных сырья в передовые биотоплива. В совокупности с 20%-ной долей затрат университета, более $5,7 млн. планируется инвестировать в эти проекты. Большинство проектов будут связаны с микробиологией, включая проекты Университета Джорджии и Университета штата Монтана, которые сосредоточены на производстве масел из водорослей. Университет Джорджии будет изучать использование птичьего мусора для производства недорогих питательных веществ для водорослей, в то время как штат Монтана в партнерстве с Университетом штата Юта будет исследовать содержание масла, рост и производство масла в культурах водорослей в открытых прудах. Применяя микробиологию к преобразованию биомассы, Университет штата Мэн будет изучать использование бактерий для создания биотоплива из регионально доступных сырья, таких как шлам морских водорослей и потоки отходов бумажных мельниц, в то время как Университет Толедо попытается использовать гранулы, содержащие ферменты, для эффективного преобразования целлюлозной биомассы в этанол. В отличие от этого, исследовательская корпорация Georgia Tech и Технологический институт Стивена изучают газификацию биомассы. Технология Джорджии оценит два экспериментальных газификатора, работающих на остатках леса, в то время как Институт Стивена проверит новый микроканальный реактор, который газифицирует пиролизную нефть, нефтеподобную нефть, полученную путем воздействия на источники биомассы, такие как древесные щепки, высоких температур в отсутствие кислорода. Газифицированная биомасса может использоваться в качестве газообразного топлива или проходить через катализатор для производства широкого спектра жидких видов топлива и химических веществ.

Биотопливные компании

К сожалению, затраты на производство этанола из целлюлозного сырья, такого как древесные крошки, по-прежнему на 70% выше, чем на производство из кукурузы, из-за дополнительного этапа в производственном процессе по сравнению с производством этанола, полученного из кукурузы. До недавнего времени идея извлечения этанола из сельскохозяйственных отходов и других источников едва ли прижилась в уголках университетских кампусов и федеральных лабораторий из-за проблем с производством, а также необходимости объединить огромную команду специалистов. Рассмотрим: когда из кишечника коровы или из навоза слона была найдена бактерия, которая обладает правильным ферментом для разложения целлюлозы, и потом генетики привели специалистов, чтобы модифицировать этот фермент, это не позволило этому ужасающему достижению выйти за рамки эмбрионального состояния. Теперь все это меняется, когда около тридцати компаний пытаются достичь этого алхимического подвига, и в процессе работы напрямую или в координации с: экологическими группами, биотехнологическими фирмами, некоторыми крупными нефтяными компаниями, химическими гигантами, автопроизводителями, оборонными ястребами и венчурными капиталистами. Победителем станет тот, кто сможет произвести целлюлозный этанол в массовых количествах за минимальные деньги за галлон. Поскольку большинство таких компаний по производству биотоплива (Iogen Corporation, BioProcess Group SunOpta, Genencor, Novozymes, Dyadic International, Inc. (DYAI), Alternative Energy Sources, Inc. [Nasdaq:AENS] в Канзас-Сити, Flex Fuels USA в Хантсвилле, штат Алабама (в настоящее время принадлежит Alternative Energy Sources) или BRI Energy, LLC, Abengoa Bioenergy) расположены в Северной Америке, Соединенные Штаты находятся в уникальном положении, чтобы стать лидером в разработке, производстве и продаже нового источника энергии. Archer Daniels Midland Company (ADM) вложила значительные средства в строительство примерно 100 заводов по производству кукурузного этанола, известных как био-рафинерии, и производит около одной пятой части поставок этанола в стране. Это произошло из-за сезонного избыточного объема производства на заводах по производству кукурузного сиропа, когда имелся избыток для производства этанола. Кроме того, ADM имеет уникальное положение, позволяющее использовать неиспользуемые части урожая кукурузы и превращать ранее выброшенные отходы в жизнеспособный продукт. В оболочке, окружающей кукурузу, содержится волокна, которые не могут использовать микроорганизмы, вырабатывающие этанол у зернообрабатывающего гиганта из Декатура, штат Иллинойс. Поиск способа превращения волокна в сахар может увеличить производство существующего завода по производству кукурузного этанола на 15%. Следовательно, АДМ не нужно было бы выяснять, как собирать новый источник биомассы, а просто использовать существующую инфраструктуру для сбора кукурузы. Руководители ADM хотят, чтобы правительство помогло им построить завод, который может стоить от 50 до 100 миллионов долларов. ADM наняла руководителя нефтепереработки Chevron, Патрисию А. Ворц, чтобы превратить ADM в Exxon Mobil в индустрии этанола. Между тем, химический гигант DuPont пытается выяснить, как построить биологический завод, питающийся кукурузным колом - стебель и листья, которые остаются на поле после того, как фермеры собирают урожай. Цель компании - к 2009 году изделить этанол из целлюлозы столь же дешево, как и из кукурузных зерен. Если это сработает, технология может удвоить количество этанола, производимого на кукурузном поле. Cello Energy предложила производить биотопливо из древесных щепок и другой биомассы. В 2010 году Агентство по охране окружающей среды планировало смешать 100,7 миллионов галлонов биотоплива с топливными запасами страны, причем 70 процентов биотоплива было предоставлено компанией Cello Energy. Однако компания объявила о банкротстве в 2010 году после проигрыша федерального иска за обман инвесторов. Diversa Corporation, биотехнологическая компания из Сан-Диего, изучила, как биомасса превращается в энергию в естественной среде. Они обнаружили, что ферменты, присущие бактериям и протозоям, обитающим в пищеварительном тракте домашнего термина, эффективно превращают 95% целлюлозы в ферментируемые сахара. Используя собственные технологии извлечения ДНК и клонирования, они смогли изолировать ферменты, разрушающие целлюлозу. Воспроизводя этот естественный процесс, компания создала коктейль высокоэффективных ферментов для промышленного производства этанола. Хотя эта р�...