Этаноловое топливо

редактировать
Saab 9-3 SportCombi BioPower был вторым E85 flexifuel модель, представленная Saab на шведском рынке.

Топливный этанол - это этиловый спирт, тот же тип спирта, найденный в алкогольные напитки, используемый в качестве топлива. Чаще всего используется в моторного топлива, в основном в биотоплива добавки к бензину. Первым серийным автомобилем, полностью работающим на этаноле, был Fiat 147, представленный в 1978 году в Бразилии Fiat. Этанол обычно получает из биомассы, такой как кукуруза или сахарный тростник. Мировое производство этанола для транспортного топлива утроилось с 2000 по 2007 год с 17 × 10 литров (4,5 × 10 галлонов США; 3,7 × 10 галлонов США) до более чем 52 × 10 литров (1,4 × 10 галлонов США; 1,1 × 10 галлонов США). С 2007 по 2008 год доля этанола в мировом потреблении бензинового топлива увеличилась с 3,7% до 5,4%. В 2011 году мировое производство топливного этанола достигло 8,46 × 10 литров (2,23 × 10 галлонов США; 1,86 × 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 литров (1,520 × 10 галлонов США; 1,266 × 10 имп галлонов) в 2017–04 годах.

Топливный этанол имеет «эквивалент бензиновых галлонов » (GGE) значение 1,5, то есть для ущерба энергии 1 объема бензина требуется 1,5-кратный объем этанола.

Топливо на основе этанола широко используется в Бразилии, США и Европа (см. Также этанольное топливо по странам ). Большинство автомобилей сегодня в США могут работать на смесях с содержанием этанола до 10%, а этанол составлял 10% поставок бензина в США из внутренних источников в 2011 году. Некоторые гибкие топливные автомобили могут использовать до 100% этанола.

С 1976 года правительство Бразилии сделало обязательное смешивание этанола с бензином, а с 2007 года разрешенная смесь составляет около 25% этанола и 75% бензина (E25). К декабрю 2011 года Бразилия имеет парк из 14,8 млн автомобилей и легких грузовиков с гибким топливом и 1,5 млн мотоциклов с гибким топливом , которые регулярно используют чистый этанол (известный как E100 ).

Биоэтанол - это форма возобновляемой энергии, которую можно использовать из сельскохозяйственного сырья. Его можно приготовить из очень распространенных культур, таких как конопля, сахарный тростник, картофель, маниока и <321.>кукуруза. Было много споров о том, насколько полезен биоэтанол для замены бензина. Опасения по поводу его производства и использования 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. Последние разработки в области производства и коммерциализации целлюлозного этанола могут развеять некоторые из этих опасений.

Целлюлозный этанол предлагает многообещающие перспективы, волокна целлюлозы, основной компонент стенок растительных клеток, материалы для этанол. Согласно Международному энергетическому агентству, целлюлозный этанол может сыграть большую роль в будущем.

Содержание

  • 1 Химия
  • 2 Источники
  • 3 Производство
    • 3.1 Ферментация
    • 3.2 Дистилляция
    • 3.3 Обезвоживание
    • 3.4 Проблемы с водой после производства
    • 3.5 Системы потребительского производства
  • 4 Двигатели
    • 4.1 Экономия топлива
    • 4.2 Холодный запуск зимой
    • 4.3 Топливные смеси
    • 4.4 Другие конфигурации двигателей
  • 5 Опыт по странам
  • 6 Окружающая среда
    • 6.1 Энергетический баланс
    • 6.2 Загрязнение воздуха
    • 6.3 Двуокись углерода
    • 6.4 Изменение землепользования
      • 6.4.1 Использование биомассы для производства электроэнергии вместо этанола
      • 6.4.2 Затраты на здоровье, связанные с выбросами этанола
  • 7 Эффективность выращивания обычных культур
  • 8 Сокращение импорта нефти и затрат
  • 9 Автоспорт
  • 10 Этанол и классические автомобили
  • 11 Заменитель топлива для приготовления пищи
  • 12 Исследования
  • 13 Библиография
  • 14 См. Также
  • 15 Ссылки
  • 16 Внешние ссылки

Химия

Структура молекулы этанола. Все связи являются одинарными связями

Во время ферментации этанола, глюкоза и другие сахара в кукурузе (или сахарном тростнике или других культурах) превращаются в этанол и углерод. диоксид.

C6H12O6→ 2 C 2H5OH + 2 CO 2 + нагрев

Ферментация этанола не является 100% селективной 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 с помощью адсорбции и дистилляции.

Во время горения этанол реагирует с кислородом с образованием диоксида углерода, воды и тепла:

C2H5OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O + heat

Молекулы крахмала и целлюлозы заменить молекулы глюкозы. Также возможно повторить этанол из целлюлозных материалов. Однако это требует предварительной обработки, которая расщепляет целлюлозу на молекулы глюкозы и других сахаров, которые можно ферментировать. Полученный продукт называется целлюлозный этанол, что указывает на его источник.

Этанол также получает промышленным способом из этилена путем гидратации двойной связи в катализатора высокой температуры.

C2H4+ H 2 O → C 2H5OH

Большая часть этанола производится путем ферментации.

Источники

Урожай сахарного тростника Кукурузное поле в Африки Просоцвет

Около 5% этанола, произведено в мире в 2003 году, фактически было нефтепродуктом. Его используют в качестве каталитической гидратацией этилена с использованием серной кислоты в катализатора. Его также можно получить из этилена или ацетилена, 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 в результате конверсии углеродного 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 использовать из различных видов сырья, таких как сахарный тростник, жмых, мискантус, сахарная свекла, сорго, зерно, просо, ячмень, конопля, кенаф, картофель, сладкий картофель, маниока, подсолнечник, фрукты, меласса, кукуруза, солома, зерно, пшеница, солома, хлопок, прочая биомасса, а также многие виды целлюлозы отходы и сбор урожая, в зависимости от того, что имеет наилучшую сквозную оценку.

Альтернативный способ производства биоэтанола из водорослей разрабатывается компанией Альгенол. 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 используется только небольшая часть растений кукурузы: зерно кукурузы берутся с кукурузы и только крах заводамал, который составляет около 50% сухого растения. масса ядра, превращается в этанол. В стадии разработки находятся два типа процессов второго поколения. Первый тип использует ферменты и дрожжи ферментацию для преобразования растительной целлюлозы в этанол, тогда как второй тип использует пиролиз для преобразования всего растения. в жидкое бионефти или синтез-газ. Процессы второго поколения также можно использовать с такими растениями, как древесина, сельскохозяйственные отходы, такие как солома.

Производство

Хотя существуют различные способы производства топливного этанола, наиболее распространенным способом является ферментация.

Основными этапами крупномасштабного производства этанола являются: микробная (дрожжи ) ферментация сахаров, дистилляция, дегидратация. (требования различаются, см. Топливные смеси с этанолом ниже) и денатурирующий (необязательно). Перед ферментацией некоторые культуры требуют осахаривания или гидролиза углеводов, таких как целлюлоза и крахмал, до сахаров. Осахаривание целлюлозы называется целлюлозом (см. этанол целлюлозы ). Ферменты используются для превращения крахмала в сахар.

Ферментация

Этанол получает микробной ферментацией сахара. В настоящее время микробная ферментация работает напрямую только 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, сахарного тростника) и крахмала (например, кукурузы). Существует большая активность в области целлюлозного этанола, где целлюлозная часть растения расщепляется на сахара и превращается в этанол.

Дистилляция

Завод этанола на Западе Берлингтон, Айова Завод этанола в Сертанзиньо, Бразилия.

Чтобы этанол можно было использовать в качестве твердых веществ, дрожжей воды и воды необходимо удалить. После ферментации затор нагревают, так что этанол испаряется. Этот процесс, известный как дистилляция, отделяет этанол, но его чистота ограничена 95–96% из-за образования низкокипящего азеотропа вода-этанол с максимумом (95,6% м / м ( 96,5% об. / Об.) Этанола и 4,4% м / м (3,5% об. / Об.) Воды). Эта смесь называется водным этанолом. сочетание с бензином в бензиновых двигателях.

Обезвоживание

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

При конденсации он становится двухфазной жидкой смесью. Более тяжелая фаза с уменьшением содержания уловителя (бензола или циклогексана) происходит от уловителя и возвращается в исходное сырье, тогда как более легкая фаза с конденсатом после отпарки возвращается во вторую колонну. Другой ранний метод, называемый экстрактивной дистилляцией, заключается в добавлении тройного компонента, увеличивающем объемную летучесть этанола. Когда тройная смесь перегоняется, в верхнем потоке образует колонны, образует этанол.

Времена больше внимания уделяется экономии энергии, было предложено множество методов, которые полностью исключают дистилляцию для обезвоживания. Из этих методов появился третий метод, принятый на большинстве современных заводов по производству этанола. В этом новом процессе используются молекулярные сита для удаления воды из топливного этанола. В этом процессе пары этанола под давлением проходит через слой шариковного молекулярного сита. Размер гранул позволяет адсорбировать воду, исключая этанол. 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, пока другой регенерируется. Эта технология дегидратации может обеспечить экономию энергии на 3000 БТЕ / галлон (840 к Дж / л) по сравнению с более ранней азеотропной перегонкой.

Недавние исследования показали, что полное обезвоживание перед смешиванием с бензином не всегда нужно. Вместо этой азеотропной смеси может быть смешана непосредственно с бензином. Двухступенчатая противоточная установка резервуаров смесителя-отстойника может обеспечить полное восстановление 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. Абсорбционная вода снижает топливную ценность этанола. Эта высокая смешиваемость с водой означает, что этанол не может транспортироваться по современным трубопроводам, как жидкие углеводороды, на больших расстояниях.

Доля воды, содержащая этанол- бензин в топливе может содержать разделение фазы с содержанием процентного содержания этанола. Например, E30 может содержать до 2% воды. Если этанол составляет более 71%, остаток может составлять любую долю воды или бензина, и раздел фаз не происходит. Расход топлива с помещением формы воды. Повышенная растворимость воды с высоким уровнем 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 оно составляет около 0,5% об. / Об. При 21 ° C и снижается до примерно 0,23% об. / Об. При -34 ° C.

Системы потребительского производства

В то время как биодизель производственные системы 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 биодизельное топливо в одной машине, тогда как E-100 MicroFueler от E-Fuel Corporation предназначено только для этанола.

Двигатели

Экономия топлива

Этанол содержит прибл. На 34% меньше энергии на единицу объема, чем у бензина, и, следовательно, теоретически сжигание чистого этанола в транспортном средстве сокращает количество миль на галлон США 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 за счет увеличения степени сжатия. Используя переменную геометрию или двойную спираль турбокомпрессор, степень сжатия можно оптимизировать для топлива, использовать экономию топлива почти для постоянной для любой смеси.

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. Для E85 (85% этанол) 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 неэтианного бензина. Согласно рейтингу EPA, E85 высокоэффективным топливом с октановым числом около 94–96, следует сравнивать с топливом премиум-класса. Согласно RACQ, этанол не подходит для самолетов, а также для некоторых мотоциклов и двигателей, хотя Embraer EMB 202 Ipanema является примером самолета, был специально разработан для использования с этанольным топливом в некоторых вариантах.

Холодный запуск зимой

Бразильская модель 2008 года Honda Civic с гибким топливом имеет внешний прямой доступ к вторичному бензобаку с правой стороны, соответствующая крышка топливного бака находится

Высокие смеси этанола представьте проблему для достижения достаточного давления паров для испарения топлива и возникновения искры зажигания в холодную погоду (поскольку этанол имеет тенденцию увеличивать расход топлива энтальпия испарения ). Когда давление паров ниже 45 кПа запуск холодного двигателя становится затруднительным. Чтобы избежать этой проблемы при температуре 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 транспортные средства с универсальным 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 снижение, 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 вызывает более быстрое падение давления пара по сравнению с автомобилями E85. В результате бразильские гибкие автомобили построены с дополнительным дополнительным 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 выпустил на рынок Polo E-Flex, первую бразильскую модель гибкого топлива без дополнительного бака для холодного запуска.

Топливные смеси

Гидратированный этанол × бензин типа C таблица цен для использования в Бразилии Наклейка E15 Агентства по охране окружающей среды должны быть размещены на всех ТРК E15 в США

Во многих странах автомобили должны работать на смесях этанол. Все бразильские автомобили рассчитаны на работу с содержанием этанола до 25% (E25 ), а с 1993 года федеральный закон требует смесей от 22% до 25% этанола, при этом 25% требуется как на середину июля 2011 года. В своих Штатах все малотоннажные автомобили рассчитаны на нормальную работу с 10% -ной смесью этанола (E10 ). В конце 2010 года более 90 процентов всего бензина, продаваемого в США, было смешано с этанолом. Января 2011 г. США Агентство по охране окружающей среды (EPA) выдало разрешение на продажу до 15% этанола, смешанного с бензином (E15 ), только для автомобилей и легких пикапов модельного года 2001 года или новее.

С 1999 модельного года, все большее количество автомобилей в мире производится с двигателями, которые могут работать на любом топливе от 0% этанола до 100% этанола без модификаций. Многие легковые автомобили и легкие грузовики (класс, включающий минивэны, внедорожники и пикапы ) спроектированы как транспортные средства с гибким топливом, использующие этанол. смешивает до 85% (E85 ) в Северной Америке и Европе и до 100% (E100) в Бразилии. В более старые модельные годы их системы двигателей / датчиков кислорода в выхлопных газах, обеспечивает ввод данных в управляющий компьютер двигателя для регулировки впрыска топлива для достижения стехиометрического (без остатка топлива или свободного кислорода в выхлопе) соотношение воздух-топливо для любой топливной смеси. В более новых моделях алкоголя были удалены, а компьютер только обратную связь датчика кислорода и воздушного потока для алкоголя. Компьютер управления двигателем также может регулировать (опережать) угол опережения зажигания для достижения более высокой мощности без предварительного зажигания, когда он предсказывает, что в сжигаемом топливе присутствует более высокий процент спирта. Используется этот метод подкреплен передовыми датчиками детонации, используется в большинстве случаев использования бензиновых двигателей с высокими полномочиями, независимо от того, предназначены ли они для использования этанола или нет, которые обнаруживают преждевременное зажигание и детонацию.

Другие конфигурации двигателей

Двигатели ED95

С 1989 года в Швеции также были двигатели на этаноле, основанные на дизельном принципе. Они используются в основном в городских автобусах, а также в развозных грузовиках и сборщиках мусора. Двигатели, производимые Scania, имеют измененную степень сжатия, используемое топливо (используемое топливо как ED95) представляет собой смесь 93,6% этанола и 3,6% улучшителя воспламенения, а также 2,8% денатурирующих вещества. Улучшитель воспламенения делает возможное воспламенение топлива в сгорания дизельного топлива. Тогда также возможно использовать энергоэффективность дизельного принципа с этанолом. Эти двигатели использовались в Соединенном Королевстве компанией Reading Buses, но в настоящее время использование топлива на биоэтаноле 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 смешивание его с бензин. Этот метод представляет возможность использования алкоголя для достижения определенного улучшения эффективности гибридного электрического электрического. Улучшение состоит в использовании двухтопливного прямого впрыска чистого спирта (или азеотропа, или E85) и бензина в любом использовании до 100% другого в малолитражном двигателе с высокой степенью сжатия с турбонаддувом, имеющими аналогичные характеристики. к двигателю, имеющему вдвое больший объем. Каждое топливо перевозится отдельно, с гораздо меньшим баком для спирта. Двигатель с высокой степенью сжатия (для повышения эффективности) работает на обычном бензине в условиях крейсерского режима 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 высокого октанового числа этанола до эффективности 130. Общее сокращение бензина и выбросов CO 2 составляет 30%. Время окупаемости потребительских затрат показывает улучшение 4: 1 по сравнению с турбодизелем и 5: 1 по сравнению с гибридом. Также устраняются проблемы, вызывающие появление воды в воде, смешанный бензин (вызывающие разделение фаз), проблемы с подачей гибридных смесей и запуск в холодную воду. рециркуляция выхлопных газов обеспечивает степень сжатия 19,5 различных видов топлива чистого этанола до E50. Достигнут тепловой КПД примерно до дизельного. Это привело бы к экономии топлива аккуратное транспортное средство на этаноле, которое будет примерно таким же, как у автомобиля, сжигающего бензин.

Топливные элементы с установкой риформинга этанола

В июне 2016 года Nissan объявил о планах разработки автомобилей на топливных элементах, работающих на этаноле, а не на водороде, топливо, предпочитаемые другими производителями автомобилей, которые разработали и коммерциализировали автомобили на топливных элементах, например, Hyundai Tucson FCEV, Toyota Mirai и Honda FCX Clarity. Основное преимущество этого технического подхода заключается в том, что было бы проще и проще обеспечить необходимую заправочную инфраструктуру.

Nissan Используемая система жидкого этанола в качестве источника самого водного автомобиля. Технология использует тепло для преобразования этанола в водород, который используется для питания так называемого оксидного топливного элемента (ТОТЭ). Топливный элемент вырабатывает электричество для подачи энергии на электродвигатель, приводящий в движение колеса, через аккумулятор, обрабатывает который 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 заявлении 55:45. Nissan Подробнее о технологии к 2020 году.

Опыт по странам

В 2011 году крупнейшими производителями этанола в мире были США с 13,9 × 10 США. галлонов (5,3 × 10 литров ; 1,16 × 10 британских галлонов ) и Бразилии с 5,6 × 10 галлонов США (2,1 × 10 литров; 4,7 × 10 британских галлонов) с учетом вместе составляет 87,1% мирового производства 22,36 × 10 галлонов США (8,46 × 10 литров; 1862 × 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 Америки.

Годовое производство топливного этанола по странам. (2007–2011). 10 ведущих стран / региональных блоков. (Миллионы жидких галлонов США в год)
Мировое. местоСтрана / регион20112010200920082007
1США13,900,0013,231,0010,938,009,235,006,485,00
2Бразилия5,573,246,921,546,577,896,472,205,019,20
3EU1,199,311,176,881,039,52733,60570,30
4Китай554,76541,55541,55501,90486,00
5Таиланд435,2089,8079,20
6Канада462,30356.63290.59237.70211.30
7Индия91.6766.0052.80
8Колумбия83.2179.3074.90
9Австралия87,2066,0456,8026,4026,40
10Другое247,27
Всего в мире22,356,0922,946, 8719,534,9917,335,2013,101,70

Окружающая среда

Энергетический баланс

Энергетический баланс
СтранаТипЭнергетический баланс
СШАКукурузный этанол1,3
ГерманияБиодизель2,5
БразилияЭтанол сахарного тростника8
СШАЦеллюлозный этанол2–36

† экспериментально, не в коммерческом производство

†† в зависимости от метода производства

Вся биомасса проходит по крайней мере из этих этапов: ее нужно выращивать, собирать, сушить, ферментировали, перегоняли и сжигали. Все эти шаги требуют ресурсов и инфраструктуры. Общее количество энергии, вложенной в процесс, по сравнению с энергией, высвобождаемой при сжигании полученного этанольного топлива, как известно, как энергетический баланс (или «энергия, возвращенная на вложенную энергию »). Цифры, собранные в отчете журнал National Geographic за 2007 год указывает на скромные результаты по кукурузному этанолу, производимому в США: одна единица энергии ископаемого топлива требуется для производства 1,3 единиц энергии из полученный этанол. 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 нелегко, чтобы было создано множество отчетов, которые противоречат друг другу. Например, в отдельном исследовании 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, проведенное в 2006 году, после анализа 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 брожение и сжигание. Это компенсируется разрушением углекислого газа растениями по мере роста производства биомассы. При производстве определенными методами этанол выделяет меньше парниковых газов, чем бензин.

Загрязнение воздуха

По сравнению с обычным неэтилированным бензином, этанол является образцом горючего топлива без твердых частиц. который при горении с кислородом образует двуокись углерода, окись углерода, воду и альдегиды. Закон о чистом воздухе требует добавления оксигенатов для снижения выбросов окиси углерода в США. Добавка МТБЭ в настоящее время 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 США: очень большой город мегаполисе, основанный на автомобилех. наихудший сценарий. Уровни озона значительно увеличиваются, тем самым увеличивая фотохимический смог и усугубляя проблемы со здоровьем, такие как астма.

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

Двуокись углерода

Расчет углеродоемкости <3 правительства Великобритании>кукурузного биоэтанола, выращенного в США и сожженного в Великобритании. График британских данных для углеродоемкости биоэтанола и ископаемого топлива. На этом графике действуют законы, которые ранее использовались пахотными землями для выращивания сырья.

Расчет точного количества диоксида углерода, производимого при производстве биоэтанола, является сложным и неточным процессом. и сильно зависит от методов производства, этанола и допущений, сделанных в расчетах. Расчет должен поступать:

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

Такой расчет может или не может учитывать следующие эффекты:

  • Стоимость изменения землепользования на территории выращивания топливного сырья.
  • Стоимость транспортировки биоэтанола от завода до места его использования
  • Сравнение эффективности биоэтанола со стандартным бензином
  • Количество углекислого газа, производимого в выхлопной трубе.
  • Выгоды от 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 январской статье 2006 г. в журнале «Science» из Калифорнийского университета в Беркли оценивается сокращение выбросов парниковых газов из кукурузного этанола в 13% после просмотра большого количества исследований. В исправлении к этой статье, выпущенном вскоре после публикации, оценочное значение снижено до 7,4%. В обзорной статье журнала 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 с помощью 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 дает разовый выброс парниковых газов, для выравнивания которого могут потребоваться десятилетия или столетия сокращения производства выбросов парниковых газов. Например, для преобразования пастбищных угодий в производство кукурузы для производства этанола требуется около столетия ежегодной экономии выбросов парниковых газов при первичной обработке почвы.

Изменение землепользования

Для производства сельскохозяйственного спирта необходимо крупномасштабное сельское хозяйство, а для этого требуются значительные площади обрабатываемых земель. Исследователи 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 утверждение, что земли для производства этианола приобретаются путем вырубки лесов, в то время как другие отмечают, что районы в настоящее время находятся в лесу, обычно не подходят для выращивания сельскохозяйственных культур. Использование местных сообществ в использовании сельскохозяйственных культур для местных сообществ. Новые технологии позволяют фермерам и переработчикам все больше производить продукцию с меньшими затратами.

Производство целлюлозного этанола - это новый подход, который может облегчить землепользование 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. Этот подход будет иметь меньший углеродный след, потому что количество энергоемких удобрений и фунгицидов остается неизменным для более высокого выхода пригодного для использования 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. Исследователи продолжают поиск более экономичных разработок как целлюлозного этанола, так и современных автомобильных аккумуляторов.

Затраты на здравоохранение, связанные с выбросами этанола

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

Эффективность общие зерновые культуры

По мере повышения урожайности этанола или введения другого исходного сырья ион этанола может стать более экономически целесообразным в США. В настоящее время с использованием биотехнологии 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 высоких товарных культур, и дают уровни этанола на единицу площади.

УрожайГодовая урожайность (литров / гектар, США) галлонов на акр)Экономия парниковых газов. vs. бензин [a]Морозостойкость

Предел зоны

Горячий

Предел зоны морозостойкости

Комментарии
Сахарный тростник 6800–8000 л / га,. 727 - 870 галлонов / акр87% –96%913Многолетняя однолетняя трава. Используется в качестве в качестве сырья для большей части биоэтанола, производимого в Бразилии. Новые перерабатывающие предприятия сжигают остатки, используемые для производства этанола, для выработки электроэнергии. Произрастает только в тропическом и субтропическом климате.
Мискантус 7300 л / га,. 780 галлонов / акр37% –73%59Многолетние травы с низким потреблением влаги. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии.
Просовник 3100–7600 л / га,. 330–810 галлон / акр37% –73%59Многолетнее травянистое растение с низким потреблением влаги. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии. Увеличение урожайности. Более высокое производство биомассы возможно при использовании смешанных видов многолетних трав.
Тополь 3700–6000 л / га,. 400–640 галлонов / акр51% –100%39Быстрорастущее дерево. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии. Завершение проекта геномного секвенирования поможет селекционным усилиям повысить урожайность.
Сорго душистое 2500–7000 л / га,. 270–750 галлонов / акрНет данных912Однолетняя трава с низким потреблением энергии. Возможно производство этанола по существующей технологии. Произрастает в тропическом и умеренном климате, но самые высокие оценки урожайности этанола предполагают получение нескольких культурных в год (только в тропическом климате). Плохо хранится.
Кукуруза 3100–4000 л / га,. 330–424 галлона / акр10% –20%48Однолетняя трава с высоким потреблением урожая. Используется в качестве сырья для распространения биоэтанола, производимого в США. Только ядра можно обрабатывать по имеющейся технологии; 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 данных210Выращивается как этанольная культура во Франции.
Маниока 3835 л / га,

410 галлонов / акр

Нет данных1013Выращивается как этанольная культура в Нигерии.
Пшеница 2591 л / га,

277 галлонов / акр

Нет данных312Выращивается как этанольная культура во Франции.
Источник (кроме указанного): Nature 444 (7 декабря 2006 г.): 673–676.. [a] - Экономия выбросов ПГ при условии отсутствия изменений в землепользовании (использование сельскохозяйственных угодий).

Снижение импорта нефти и снижение затрат

Одним из аргументов в пользу экстенсивного производства этанола в США является его выгода для энергетической безопасности, поскольку потребность в некоторой нефти иностранного производства переносится на внутреннюю производимые источники энергии. Производство этанола требует значительных затрат энергии, но в настоящее время производство в США получает большую часть этой энергии из угля, природного газа и других источников, а не из нефти. 66% нефти, потребляемой в США, импортируется по сравнению с чистым запасом угля и всего 16% природного газа (данные за 2006 г.), замена топлива на основе этанолом приводит к чистому сдвигу с иностранным на внутреннем рынке США. источники энергии.

Согласно анализу 2008 года, проведенному Университетом штата Айова, розничные цены на бензин упали на 0,29–0,40 доллара США за галлон ниже, чем в случае.

Автоспорт

Леон Дюрей квалифицировался третьим в автогонке 1927 Индианаполис 500 на автомобиле, работающем на этаноле. В серии IndyCar Series в сезоне 2006 года использовалась смесь 10% этанола, а в 2007 году - смесь 98%.

На чемпионате по спортивным автомобилям Американская серия Ле-Ман была представлена ​​E10. в сезоне 2007 заменить чистый бензин. В сезоне 2008 года E85 был разрешен 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.

Австралийский чемпион использует суперкар V8 Shell E85 в качестве гоночного топлива.

Stock Car Brasil Чемпионат проводится на чистом этаноле E100.

<5858>Этаноловое топливо также может Роман в качестве ракетного топлива. По состоянию на 2010 год небольшое количество этанола используются в легких ракетных самолетах.

Этанол и классических автомобилейх

Обратная сторона использования топлива, содержащего этанол, в классических и старинных автомобилях заключается в том, что этанол вызывает коррозию и разъедает резиновые детали топливной системы автомобиля. Это относится ко многим автомобилям и другим транспортным средствам с бензиновым двигателем, таким как лодки, которые были спроектированы до начала 1990-х годов, после чего топливо на основе этанола начало получать широкое распространение.

Этанол в топливе приводит к более быстрому повреждению топливных шлангов, топливных насосов, топливных заслонок, уплотнений, прокладок, диафрагм и других резиновых деталей. Текущие запасные части, чтобы выдерживать коррозионное воздействие на этанола, но в автомобиле с оригинальными деталями этанол может вызвать повреждение.

В одном из таких случаев на Ford Thunderbird 1955 года установлен старый механический топливный насос с резиновой диафрагмой. Этанол (и, возможно, в какой-то степени возрастных деталей) привел к износу диафрагмы, и топливо вытолкнулось из топливного насоса на шасси [см. Фото].

Сменное топливо для приготовления пищи

Project Gaia - американская неправительственная, некоммерческая организация, участвующая в создании коммерчески жизнеспособного рынка домашних хозяйств. для топлива на основе спирта в Эфиопии и других странах медицина стран. Проект рассматривает спиртосодержащее топливо как решение проблемы нехватки топлива, окружающей среды и проблем общественного здравоохранения, вызванных традиционным приготовлением пищи в стране. Ориентируясь на бедные и маргинализованные сообщества, которые сталкиваются с проблемами здоровья из-за загрязнения пищи пожаров, Гайя в время работает в Эфиопии, Нигерии, Бразилии, Гаити, и Мадагаскар, и находится на стадии планирования проектов в нескольких других странах.

Исследования

Завод 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. Бактерия E.coli при генной инженерии с генами коровы рубца и ферментами может испортить этанол из кукурузная солома. Другим потенциальным сырьем являются бытовые отходы, переработанные продукты, рисовая шелуха, сахарный тростник жмых, древесная щепа, просо и двуокись углерода..

Библиография

  • Дж. 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.). Производство, очистка и анализ этанола: обзор. Ежегодное международное собрание ASABE, 2008 г. Провиденс, Род-Айленд. Проверено 16 февраля 2013 г.
  • Институт Всемирного дозора (2007). Биотопливо для транспорта: глобальный потенциал и последствия энергетики и сельского хозяйства Бразилии (Глобальный обзор включает примеры страновых исследований, Китая, Индии и Танзании). Лондон, Великобритания: публикации Earthscan. ISBN 978-1-84407-422-8.

См. Также

  • значок Энергетический портал
  • значок Портал возобновляемых источников энергии
  • значок Экологический портал

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-19 05:25:58
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте