Paliwo etanolowe - Ethanol fuel

Saab 9-3 SportKombi BioPower był drugim E85 Flexifuel Model wprowadzony przez Saaba w szwedzkim rynku.

Paliwo etanolowe to alkohol etylowy , ten sam rodzaj alkoholu, który można znaleźć w napojach alkoholowych , używany jako paliwo . Najczęściej stosuje się go jako paliwo silnikowe , głównie jako dodatek do biopaliwa do benzyny . Pierwszym samochodem produkcyjnym napędzanym całkowicie etanolem był Fiat 147 , wprowadzony w 1978 roku w Brazylii przez Fiata . Etanol jest powszechnie wytwarzany z biomasy, takiej jak kukurydza lub trzcina cukrowa . Światowej produkcji etanolu jako paliwa transportowego trzykrotnie w latach 2000 i 2007, od 17 x 10 9 litrów (4,5 x 10 9  US gal; 3,7 x 10 9  IMP gal) do więcej niż 52 x 10 9 litrów (1,4 x 10 10  US gal; 1,1 x 10 10  imp gal). W latach 2007-2008 udział etanolu w światowym zużyciu paliw typu benzyny wzrósł z 3,7% do 5,4%. W 2011 roku światowa produkcja paliwa etanolowego osiągnęła 8,46 × 10 10 litrów (2,23 × 10 10  galon US; 1,86 × 10 10  galonów imp), przy czym największymi producentami były Stany Zjednoczone Ameryki i Brazylia, które stanowiły 62,2% i 25% światowej produkcji , odpowiednio. Produkcja etanolu USA osiągnęły 57,54 x 10 9 litrów (1,520 x 10 10  US gal; 1,266 x 10 10  IMP gal) w 2017-04.

Paliwo etanolowe ma wartość „ równoważnika galonów benzyny ” (GGE) wynoszącą 1,5, co oznacza, że ​​aby zastąpić energię 1 objętości benzyny, potrzebna jest 1,5-krotność objętości etanolu.

Paliwo z domieszką etanolu jest szeroko stosowane w Brazylii , Stanach Zjednoczonych i Europie (patrz także paliwo etanolowe według kraju ). Większość samochodów poruszających się obecnie po drogach w USA może jeździć na mieszankach zawierających do 10% etanolu , a etanol stanowił 10% dostaw benzyny w USA, pochodzących ze źródeł krajowych w 2011 r. Niektóre pojazdy na elastyczne paliwo mogą zużywać do 100 % etanol.

Od 1976 roku rząd brazylijski wprowadził obowiązek mieszania etanolu z benzyną, a od 2007 roku legalna mieszanka to około 25% etanolu i 75% benzyny (E25). Do grudnia 2011 r. Brazylia posiadała flotę 14,8 miliona samochodów i lekkich ciężarówek z napędem flex-fuel oraz 1,5 miliona motocykli z napędem flex-fuel, które regularnie używają czystego paliwa etanolowego (znanego jako E100 ).

Bioetanol jest formą energii odnawialnej, którą można wytwarzać z surowców rolniczych . Można go wytwarzać z bardzo popularnych roślin, takich jak konopie , trzcina cukrowa , ziemniaki , maniok i kukurydza . Toczy się poważna debata na temat przydatności bioetanolu w zastępowaniu benzyny. Obawy o jego produkcję i użytkowanie dotyczą wzrostu cen żywności ze względu na dużą ilość gruntów ornych potrzebnych pod uprawy oraz bilans energetyczny i zanieczyszczenia całego cyklu produkcji etanolu, zwłaszcza z kukurydzy.

Chemia

Struktura cząsteczki etanolu. Wszystkie obligacje są obligacjami pojedynczymi

Podczas fermentacji, etanol , glukoza i inne cukry w kukurydzy (lub trzciny cukrowej lub innych roślin) są przekształcane w etanol i dwutlenek węgla .

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

Fermentacja etanolowa nie jest w 100% selektywna w stosunku do produktów ubocznych, takich jak kwas octowy i glikole. Są one w większości usuwane podczas oczyszczania etanolu. Fermentacja odbywa się w roztworze wodnym. Otrzymany roztwór ma zawartość etanolu około 15%. Etanol jest następnie izolowany i oczyszczany przez połączenie adsorpcji i destylacji.

Podczas spalania etanol reaguje z tlenem, wytwarzając dwutlenek węgla, wodę i ciepło:

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

Cząsteczki skrobi i celulozy to ciągi cząsteczek glukozy. Możliwe jest również wytwarzanie etanolu z materiałów celulozowych. To jednak wymaga obróbki wstępnej, która dzieli celulozę na cząsteczki glukozy i inne cukry, które następnie mogą być fermentowane. Powstały produkt nazywany jest etanolem celulozowym , co wskazuje na jego źródło.

Etanol jest także wytwarzany na skalę przemysłową z etylenem przez uwodnienie z wiązaniem podwójnym , w obecności katalizatora, i w wysokiej temperaturze.

C 2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH

Większość etanolu powstaje w wyniku fermentacji.

Źródła

Zbiór trzciny cukrowej
Pole kukurydzy w RPA
Czerwona trawa

Około 5% etanolu wyprodukowanego na świecie w 2003 roku było w rzeczywistości produktem naftowym. Powstaje przez katalityczne uwodnienie etylenu kwasem siarkowym jako katalizatorem . Można go również otrzymać za pomocą etylenu lub acetylenu , z węglika wapnia , węgla , gazu naftowego i innych źródeł. Rocznie produkuje się dwa miliony krótkich ton (1.786.000 długich ton; 1.814.000 t) etanolu z ropy naftowej. Głównymi dostawcami są zakłady w Stanach Zjednoczonych, Europie i Afryce Południowej. Etanol pochodzący z ropy naftowej (etanol syntetyczny) jest chemicznie identyczny z bioetanolem i można go odróżnić jedynie za pomocą datowania radiowęglowego.

Bioetanol jest zwykle otrzymywany z konwersji surowców węglowych . Surowce rolnicze są uważane za odnawialne, ponieważ uzyskują energię słoneczną za pomocą fotosyntezy, pod warunkiem, że wszystkie minerały wymagane do wzrostu (takie jak azot i fosfor) są zwracane do ziemi. Etanol może być produkowany z różnych surowców, takich jak trzcina cukrowa , wytłoki , miskant , buraków cukrowych , sorgo , zboże, switchgrass , jęczmienia , konopi , kenaf , ziemniaki , słodkie ziemniaki , maniok , słonecznika , owoców , melasy , zboże , słoma , zboża , pszenica , słoma , bawełna , inna biomasa , a także wiele rodzajów odpadów celulozowych i pożniwnych, w zależności od tego, które mają najlepszą ocenę przydatności do koła .

Alternatywny proces produkcji bioetanolu z alg opracowuje firma Algenol . Zamiast hodować glony, a następnie je zbierać i fermentować, glony rosną w świetle słonecznym i bezpośrednio wytwarzają etanol, który jest usuwany bez zabijania glonów. Twierdzi się, że proces ten może wytwarzać 6000 galonów amerykańskich na akr (5000 galonów imperialnych na akr; 56 000 litrów na hektar) rocznie w porównaniu z 400 galonami amerykańskimi na akr (330 galonów imp/akr; 3700 l/ha) w przypadku produkcji kukurydzy.

Obecnie procesy pierwszej generacji do produkcji etanolu z kukurydzy wykorzystują tylko niewielką część kukurydzy: ziarna kukurydzy są pobierane z kukurydzy i tylko skrobia, która stanowi około 50% suchej masy ziarna, jest przekształcana do etanolu. W trakcie opracowywania są dwa rodzaje procesów drugiej generacji. Pierwszy typ wykorzystuje enzymy i fermentację drożdżową do przekształcenia celulozy roślinnej w etanol, podczas gdy drugi typ wykorzystuje pirolizę do przekształcenia całej rośliny w ciekły bio-olej lub gaz syntezowy . Procesy drugiej generacji mogą być również stosowane z roślinami, takimi jak trawy, drewno lub odpady rolnicze, takie jak słoma.

Produkcja

Chociaż istnieją różne sposoby wytwarzania paliwa etanolowego , najczęstszym sposobem jest fermentacja.

Podstawowe etapy produkcji etanolu na dużą skalę to: mikrobiologiczna ( drożdżowa ) fermentacja cukrów, destylacja , odwadnianie (wymagania różnią się, patrz Mieszanki paliwowe etanolu poniżej) i denaturacja (opcjonalnie). Przed fermentacją niektóre uprawy wymagają scukrzania lub hydrolizy węglowodanów, takich jak celuloza i skrobia, do cukrów. Scukrzenie celulozy nazywa się celulolizą (patrz etanol celulozowy ). Enzymy służą do przekształcania skrobi w cukier.

Fermentacja

Etanol powstaje w wyniku fermentacji mikrobiologicznej cukru. Fermentacja mikrobiologiczna działa obecnie tylko bezpośrednio z cukrami . Dwa główne składniki roślin, skrobia i celuloza, składają się z cukrów – i mogą w zasadzie zostać przekształcone w cukry do fermentacji. Obecnie tylko cukier (np. trzcina cukrowa) i skrobia (np. kukurydza) mogą być ekonomicznie przekształcane.

Istnieje zainteresowanie etanolem celulozowym otrzymywanym z rozkładu celulozy roślinnej na cukry i przekształcenia cukrów w etanol. Jednak etanol celulozowy jest obecnie nieekonomiczny i nie jest stosowany komercyjnie. Według raportu Międzynarodowej Agencji Energetycznej z 2006 roku , etanol celulozowy może mieć duże znaczenie w przyszłości.

Destylacja

Fabryka etanolu w West Burlington, Iowa
Fabryka etanolu w Sertãozinho w Brazylii.

Aby etanol nadawał się do wykorzystania jako paliwo, należy usunąć stałe cząstki drożdży i większość wody. Po fermentacji zacier jest podgrzewany, aby etanol wyparował. Proces ten, znany jako destylacja , oddziela etanol, ale jego czystość jest ograniczona do 95-96% ze względu na tworzenie się niskowrzącego azeotropu woda-etanol z maksimum (95,6% m/m (96,5% v/v) etanolu). oraz 4,4% m/m (3,5% v/v) wody). Ta mieszanina nazywa się uwodnionym etanolem i może być używana jako samo paliwo, ale w przeciwieństwie do bezwodnego etanolu, uwodniony etanol nie miesza się we wszystkich proporcjach z benzyną, więc frakcja wodna jest zazwyczaj usuwana w dalszej obróbce, aby spalić w połączeniu z benzyną w silnikach benzynowych .

Odwodnienie

Istnieją trzy procesy odwadniania mające na celu usunięcie wody z azeotropowej mieszaniny etanol/woda. Pierwszy proces, stosowany w wielu wczesnych zakładach produkujących etanol jako paliwo, nazywa się destylacją azeotropową i polega na dodaniu do mieszaniny benzenu lub cykloheksanu . Po dodaniu tych składników do mieszaniny powstaje niejednorodna mieszanina azeotropowa w równowadze para-ciecz-ciecz , która po destylacji daje bezwodny etanol na dnie kolumny oraz mieszaninę par wody, etanolu i cykloheksanu/benzenu.

Po skondensowaniu staje się dwufazową ciekłą mieszaniną. Cięższa faza, uboga w środek azeotropujący (benzen lub cykloheksan), jest odpędzana ze środka azeotropującego i zawracana do zasilania, podczas gdy lżejsza faza, z kondensatem z odpędzania, jest zawracana do drugiej kolumny. Inna wczesna metoda, zwana destylacją ekstrakcyjną , polega na dodaniu trójskładnikowego składnika, który zwiększa względną lotność etanolu. Gdy trójskładnikowa mieszanina jest destylowana, w górnym strumieniu kolumny powstaje bezwodny etanol.

Wraz z rosnącą uwagą poświęcaną oszczędności energii, zaproponowano wiele metod, które całkowicie unikają destylacji w celu odwodnienia. Spośród tych metod pojawiła się trzecia metoda, która została przyjęta przez większość nowoczesnych zakładów produkcji etanolu. Ten nowy proces wykorzystuje sita molekularne do usuwania wody z paliwa etanolowego. W procesie tym para etanolu pod ciśnieniem przechodzi przez złoże z perełek sit molekularnych. Pory kulki mają taką wielkość, aby umożliwić adsorpcję wody z wyłączeniem etanolu. Po pewnym okresie czasu, złoże jest regenerowane w próżni lub w strumieniu obojętnego otoczenia (na przykład N 2 ), w celu usunięcia zaadsorbowanej wody. Często używane są dwa łóżka, dzięki czemu jedno jest dostępne do adsorpcji wody, podczas gdy drugie jest regenerowane. Ta technologia odwadnianie może stanowić do oszczędzania 3000 BTU / litr (840 k źródeł J / l), w porównaniu do wcześniej destylacji azeotropowej.

Ostatnie badania wykazały, że całkowite odwodnienie przed zmieszaniem z benzyną nie zawsze jest konieczne. Zamiast tego, mieszanina azeotropowa może być zmieszana bezpośrednio z benzyną, dzięki czemu równowaga faz ciecz-ciecz może pomóc w eliminacji wody. Dwustopniowa konfiguracja zbiorników mieszalnika-osadnika z przeciwprądem może zapewnić całkowity odzysk etanolu do fazy paliwowej przy minimalnym zużyciu energii.

Problemy z wodą poprodukcyjną

Etanol jest higroskopijny , co oznacza, że ​​pochłania parę wodną bezpośrednio z atmosfery. Ponieważ zaabsorbowana woda rozrzedza etanol o wartości paliwowej i może powodować rozdzielanie faz mieszanin etanol-benzyna (co powoduje gaśnięcie silnika), pojemniki z paliwami etanolowymi muszą być szczelnie zamknięte. Ta wysoka mieszalność z wodą oznacza, że ​​etanol nie może być skutecznie przesyłany nowoczesnymi rurociągami , tak jak ciekłe węglowodory, na duże odległości.

Frakcja wody, którą paliwo etanol-benzyna może zawierać bez rozdzielania faz, zwiększa się wraz z procentem etanolu. Na przykład E30 może mieć do około 2% wody. Jeśli jest więcej niż około 71% etanolu, pozostałość może stanowić dowolna proporcja wody lub benzyny i nie następuje rozdzielanie faz. Przebieg paliwa zmniejsza się wraz ze wzrostem zawartości wody. Zwiększona rozpuszczalność wody o wyższej zawartości etanolu pozwala na umieszczenie E30 i uwodnionego etanolu w tym samym zbiorniku, ponieważ każda ich kombinacja daje zawsze jedną fazę. Nieco mniej wody jest tolerowane w niższych temperaturach. Dla E10 wynosi około 0,5% v/v w 21°C i spada do około 0,23% v/v w -34°C.

Systemy produkcji konsumenckiej

Podczas gdy systemy produkcji biodiesla są od wielu lat sprzedawane użytkownikom domowym i biznesowym, skomercjalizowane systemy produkcji etanolu przeznaczone do użytku końcowego pozostają w tyle na rynku. W 2008 roku dwie różne firmy ogłosiły systemy produkcji etanolu na domową skalę. Zaawansowany układ paliwowy AFS125 firmy Allard Research and Development jest w stanie produkować zarówno etanol, jak i biodiesel w jednej maszynie, podczas gdy E-100 MicroFueler firmy E-Fuel Corporation jest przeznaczony wyłącznie do produkcji etanolu.

Silniki

Oszczędność paliwa

Etanol zawiera ok. 34% mniej energii na jednostkę objętości niż benzyna, a zatem teoretycznie spalanie czystego etanolu w pojeździe zmniejsza zasięg na jednostkę miary o 34%, przy tej samej oszczędności paliwa w porównaniu ze spalaniem czystej benzyny. Ponieważ jednak etanol ma wyższą liczbę oktanową , silnik można zwiększyć, zwiększając stopień sprężania.

W przypadku E10 (10% etanolu i 90% benzyny) efekt jest niewielki (~3%) w porównaniu z konwencjonalną benzyną, a nawet mniejszy (1–2%) w porównaniu z mieszankami natlenianymi i przeformułowanymi. Dla E85 (85% etanolu) efekt staje się znaczący. E85 ma mniejszy przebieg niż benzyna i wymaga częstszego tankowania. Rzeczywista wydajność może się różnić w zależności od pojazdu. W oparciu o testy EPA dla wszystkich modeli E85 2006, średnia oszczędność paliwa dla pojazdów E85 była o 25,56% niższa niż w przypadku benzyny bezołowiowej. Podczas porównywania cen należy wziąć pod uwagę przebieg według EPA obecnych amerykańskich pojazdów flex-fuel, ale E85 jest paliwem o wysokich osiągach, z liczbą oktanową około 94-96 i należy go porównywać z paliwem premium. Według RACQ etanol nie nadaje się do większości samolotów, jak również do niektórych motocykli i małych silników, chociaż Embraer EMB 202 Ipanema jest przykładem samolotu, który w niektórych wariantach został specjalnie zaprojektowany do zasilania etanolem.

Zimny ​​start w zimie

Brazylijska Honda Civic flex-fuel z 2008 roku ma bezpośredni dostęp z zewnątrz do wtórnego zbiornika benzyny z przodu po prawej stronie. Odpowiednie drzwiczki wlewu paliwa są oznaczone strzałką.

Mieszanki o wysokiej zawartości etanolu stwarzają problem, aby osiągnąć ciśnienie pary wystarczające do odparowania paliwa i wywołania zapłonu podczas zimnej pogody (ponieważ etanol ma tendencję do zwiększania entalpii parowania paliwa ). Gdy ciśnienie pary jest poniżej 45 kPa, uruchomienie zimnego silnika staje się trudne. Aby uniknąć tego problemu w temperaturach poniżej 11  °C (52  °F ) i zredukować wyższe emisje etanolu podczas zimnej pogody, zarówno rynek amerykański, jak i europejski przyjęły E85 jako maksymalną mieszankę do stosowania w pojazdach na paliwo elastyczne. są zoptymalizowane do pracy w takiej mieszance. W miejscach o surowych zimnych pogodzie mieszanka etanolu w USA ma sezonową redukcję do E70 dla tych bardzo zimnych regionów, chociaż nadal jest sprzedawana jako E85. W miejscach, w których zimą temperatura spada poniżej -12  °C (10  °F ) zaleca się zainstalowanie układu ogrzewania silnika, zarówno w pojazdach benzynowych, jak i E85. Szwecja ma podobny sezonowy spadek, ale zawartość etanolu w mieszance jest obniżona do E75 w miesiącach zimowych.

Brazylijskie pojazdy flex fuel mogą pracować z mieszankami etanolu do E100 , który jest uwodnionym etanolem (do 4% wody), co powoduje szybszy spadek ciśnienia pary w porównaniu z pojazdami E85. W rezultacie brazylijskie pojazdy flex są budowane z małym dodatkowym zbiornikiem benzyny umieszczonym w pobliżu silnika. Podczas zimnego rozruchu wtryskiwana jest czysta benzyna, aby uniknąć problemów z rozruchem w niskich temperaturach. Przepis ten jest szczególnie potrzebny użytkownikom z południowych i centralnych regionów Brazylii, gdzie zimą temperatury zwykle spadają poniżej 15  °C (59  °F ). W 2009 roku wprowadzono ulepszoną generację silników flex, która eliminuje potrzebę dodatkowego zbiornika magazynowego gazu. W marcu 2009 Volkswagen do Brasil wprowadził na rynek Polo E-Flex , pierwszy brazylijski model na paliwo flex bez dodatkowego zbiornika do zimnego rozruchu.

Mieszanki paliwowe

Tabela cen etanolu uwodnionego × benzyny typu C do użytku w Brazylii
Etykieta EPA E15 musi być umieszczona na wszystkich dystrybutorach paliwa E15 w USA

W wielu krajach samochody muszą jeździć na mieszankach etanolu. Wszystkie brazylijskie lekkie pojazdy są zbudowane tak, aby działały z mieszanką etanolu o zawartości do 25% ( E25 ), a od 1993 r. prawo federalne wymaga mieszanek od 22% do 25% etanolu, przy czym od połowy lipca 2011 r. wymagane jest 25%. W Stanach Zjednoczonych wszystkie lekkie pojazdy są budowane tak, aby działały normalnie z 10% mieszanką etanolu ( E10 ). Pod koniec 2010 roku ponad 90 procent wszystkich benzyn sprzedawanych w USA było mieszanych z etanolem. W styczniu 2011 roku amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) wydała zwolnienie zezwalające na sprzedaż do 15% etanolu z domieszką benzyny ( E15 ) tylko dla samochodów osobowych i lekkich pickupów z rokiem modelowym 2001 lub nowszym.

Począwszy od roku modelowego 1999, coraz więcej pojazdów na świecie jest produkowanych z silnikami, które mogą być zasilane dowolnym paliwem, od 0% etanolu do 100% etanolu bez modyfikacji. Wiele samochodów osobowych i lekkich ciężarówek (klasa zawierająca minivany , SUV - y i pickupy ) jest zaprojektowanych jako pojazdy o elastycznym paliwie wykorzystujące mieszanki etanolu do 85% ( E85 ) w Ameryce Północnej i Europie oraz do 100% (E100) w Brazylii . W starszych modelach ich układy silników zawierały czujniki alkoholu w paliwie i/lub czujniki tlenu w spalinach, które dostarczają dane wejściowe do komputera sterującego silnikiem w celu dostosowania wtrysku paliwa w celu uzyskania stechiometrycznego (brak resztek paliwa lub wolnego tlenu w spalinach) stosunek do paliwa dla dowolnej mieszanki paliwowej. W nowszych modelach czujniki alkoholu zostały usunięte, a komputer używał tylko informacji zwrotnych z czujnika tlenu i przepływu powietrza do oszacowania zawartości alkoholu. Komputer sterujący silnikiem może również regulować (z wyprzedzeniem) czas zapłonu, aby osiągnąć wyższą moc bez wstępnego zapłonu, gdy przewiduje, że w spalanym paliwie obecne są wyższe zawartości procentowe alkoholu. Ta metoda jest wspierana przez zaawansowane czujniki spalania stukowego – stosowane w większości wysokowydajnych silników benzynowych, niezależnie od tego, czy są zaprojektowane do używania etanolu, czy nie – które wykrywają przedwczesny zapłon i detonację.

W czerwcu 2021 r. Indie przesunęły do ​​2025 r. swój cel wprowadzenia 20% paliwa samochodowego z domieszką etanolu. Wskaźnik mieszania etanolu w paliwie w Indiach (w czasie tej docelowej rewizji) wynosi 8%, który ma wzrosnąć do 10% do 2022 r. na podstawie „Mapy drogowej mieszania etanolu w Indiach 2020-25” opublikowanej 5 czerwca ( Światowe Środowisko Dzień ) przez premiera Narendrę Modiego . Rząd oczekuje, że firmy zajmujące się marketingiem ropy naftowej, takie jak Indian Oil Corp (IOC) i Hindustan Petroleum Corp Ltd (HPCL), będą dostarczać 20% paliwa z dodatkiem etanolu od kwietnia 2023 roku. Oczekuje się, że stany takie jak Maharashtra i Uttar Pradesh, w których występuje nadwyżka etanolu, będą pierwszymi, które przyjmą wyższą stawkę mieszania paliw z etanolem. Indie traktują również priorytetowo wprowadzanie pojazdów kompatybilnych z paliwem z domieszką etanolu. Od marca 2021 r. producenci samochodów są zobowiązani do wskazywania kompatybilności z etanolem w nowych pojazdach, a silniki muszą być optymalnie zaprojektowane tak, aby używać 20% paliwa z domieszką etanolu. Rząd oczekuje, że producenci samochodów rozpoczną produkcję pojazdów zgodnych z paliwem z domieszką etanolu przed kwietniem 2022 r. Jednak ekolodzy obawiają się, że zwiększony cel Indii w zakresie mieszania etanolu może zachęcić do upraw wymagających dużej ilości wody, takich jak trzcina cukrowa i ryż, i sugerują, że rząd powinien skoncentrować się na niższych -uprawy wodochłonne, takie jak proso, ponieważ Indie już teraz borykają się z poważnym niedoborem wody.

Inne konfiguracje silników

Silniki ED95

Od 1989 roku w Szwecji funkcjonują również silniki etanolowe oparte na zasadzie diesla. Stosowane są przede wszystkim w autobusach miejskich, ale także w ciężarówkach dystrybucyjnych i śmieciarkach. Silniki firmy Scania mają zmodyfikowany stopień sprężania, a stosowane paliwo (znane jako ED95) to mieszanka 93,6% etanolu i 3,6% środka poprawiającego zapłon oraz 2,8% denaturantów . Polepszacz zapłonu umożliwia zapłon paliwa w cyklu spalania oleju napędowego. Możliwe jest wtedy również wykorzystanie efektywności energetycznej zasady diesla z etanolem. Silniki te były używane w Wielkiej Brytanii przez Reading Buses, ale stosowanie bioetanolu jest obecnie wycofywane.

Bezpośredni wtrysk dwupaliwowy

Badanie MIT z 2004 roku i wcześniejszy artykuł opublikowany przez Society of Automotive Engineers zidentyfikowały metodę znacznie efektywniejszego wykorzystania właściwości paliwa etanolowego niż mieszanie go z benzyną. Metoda przedstawia możliwość wykorzystania alkoholu do uzyskania zdecydowanej poprawy w stosunku do opłacalności hybrydowej elektrycznej. Udoskonalenie polega na zastosowaniu dwupaliwowego bezpośredniego wtrysku czystego alkoholu (lub azeotropu lub E85) i benzyny, w dowolnym stosunku do 100% obu, w turbodoładowanym silniku o wysokim stopniu sprężania i małej pojemności skokowej o podobnych osiągach. do silnika o dwukrotnej pojemności skokowej. Każde paliwo przewozi się osobno, ze znacznie mniejszym zbiornikiem na alkohol. Silnik o wysokim stopniu kompresji (dla większej wydajności) pracuje na zwykłej benzynie w warunkach rejsu o małej mocy. Alkohol jest wtryskiwany bezpośrednio do cylindrów (i jednocześnie redukowany wtrysk benzyny) tylko wtedy, gdy jest to konieczne do stłumienia „stukania”, na przykład przy znacznym przyspieszeniu. Bezpośredni wtrysk do cylindra podnosi i tak już wysoką liczbę oktanową etanolu do efektywnego 130. Obliczona całkowita redukcja zużycia benzyny i emisji CO 2 wynosi 30%. Czas zwrotu kosztów konsumenckich wskazuje na poprawę 4:1 w porównaniu z turbodieslem i 5:1 w porównaniu z hybrydą. Unika się również problemów związanych z absorpcją wody we wstępnie zmieszanej benzynie (powodującej rozdzielanie faz), problemów z dostawą wielu proporcji mieszania i rozruchu w niskich temperaturach.

Zwiększona sprawność cieplna

W badaniu z 2008 r. złożone sterowanie silnikiem i zwiększona recyrkulacja spalin pozwoliły uzyskać stopień sprężania 19,5 przy paliwach w zakresie od czystego etanolu do E50. Osiągnięto sprawność cieplną zbliżoną do wydajności oleju napędowego. Spowoduje to, że zużycie paliwa czystego pojazdu z etanolem będzie mniej więcej takie samo, jak w przypadku spalanej benzyny.

Ogniwa paliwowe zasilane reformerem etanolu

W czerwcu 2016 r. Nissan ogłosił plany opracowania pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi, które są napędzane raczej etanolem niż wodorem , paliwem wybieranym przez innych producentów samochodów, którzy opracowali i sprzedali pojazdy na ogniwa paliwowe, takich jak Hyundai Tucson FCEV , Toyota Mirai i Honda FCX Przejrzystość . Główną zaletą tego podejścia technicznego jest to, że wdrożenie infrastruktury paliwowej byłoby tańsze i łatwiejsze niż tworzenie tej wymaganej do dostarczania wodoru pod wysokim ciśnieniem, ponieważ budowa każdej stacji paliw wodorowych kosztowałaby od 1 do 2 mln USD .

Nissan planuje stworzyć technologię wykorzystującą ciekłe paliwo etanolowe jako źródło do wytwarzania wodoru w samym pojeździe. Technologia wykorzystuje ciepło do przekształcania etanolu w wodór do zasilania tak zwanego ogniwa paliwowego ze stałym tlenkiem (SOFC). Ogniwo paliwowe wytwarza energię elektryczną, która zasila silnik elektryczny napędzający koła za pośrednictwem akumulatora, który radzi sobie ze szczytowym zapotrzebowaniem na moc i przechowuje zregenerowaną energię. Pojazd zawierałby zbiornik na mieszankę wody i etanolu, który jest podawany do pokładowego reformera, który dzieli go na czysty wodór i dwutlenek węgla. Według Nissana paliwem płynnym może być mieszanka etanolu i wody w proporcji 55:45. Nissan spodziewa się skomercjalizować swoją technologię do 2020 roku.

Doświadczenie według kraju

Światowych producentów paliw top etanol w 2011 roku Stany Zjednoczone z 13,9 × 10 9 galon amerykańskie (5,3 × 10 10 litrów ; 1,16 × 10 10 imperialne galony ) i Brazylia z 5,6 × 10 9 galony amerykańskie (2,1 × 10 10 litrów; 4,7 × 10 9 galonów imperialnych), co razem stanowi 87,1% światowej produkcji 22,36 × 10 9 galonów amerykańskich (8,46 × 10 10 litrów; 1,862 × 10 10 galonów imperialnych). Silne zachęty, w połączeniu z innymi inicjatywami rozwoju przemysłu, dają początek raczkującemu przemysłowi etanolu w krajach takich jak Niemcy, Hiszpania, Francja, Szwecja, Chiny, Tajlandia, Kanada, Kolumbia, Indie, Australia i niektóre kraje Ameryki Środkowej.

Roczna produkcja etanolu w paliwie według krajów
(2007-2011)
10 największych krajów/bloków regionalnych
(miliony amerykańskich galonów cieczy rocznie)

Ranking światowy
Kraj/region 2011 2010 2009 2008 2007
1  Stany Zjednoczone 13.900.00 13.231.00 10 938,00 9 235,00 6 485,00
2  Brazylia 5573,24 6921,54 6577,89 6472,20 5019,20
3  UE 1199,31 1176,88 1,039,52 733,60 570,30
4  Chiny 554,76 541,55 541,55 501.90 486.00
5  Tajlandia 435,20 89,80 79,20
6  Kanada 462,30 356,63 290,59 237,70 211,30
7  Indie 91,67 66,00 52,80
8  Kolumbia 83,21 79.30 74,90
9  Australia 87,20 66.04 56,80 26.40 26.40
10 Inne 247,27
Razem na świecie 22 356,09 22 946,87 19 534,99 17 335,20 13.101,70

Środowisko

Balans energetyczny

Balans energetyczny
Kraj Rodzaj Balans energetyczny
Stany Zjednoczone Etanol kukurydziany 1,3
Niemcy Biodiesel 2,5
Brazylia Etanol z trzciny cukrowej 8
Stany Zjednoczone Etanol celulozowy 2-36 ††

† eksperymentalna, nie w produkcji komercyjnej

††w zależności od metody produkcji

Cała biomasa przechodzi przynajmniej niektóre z tych etapów: musi być uprawiana, zbierana, suszona, fermentowana, destylowana i spalana. Wszystkie te kroki wymagają zasobów i infrastruktury. Całkowita ilość energii włożonej do procesu w porównaniu z energią uwolnioną przez spalanie powstałego paliwa etanolowego jest znana jako bilans energetyczny (lub „ energia zwrócona z zainwestowanej energii ”). Liczby zebrane w raporcie National Geographic z 2007 r. wskazują na skromne wyniki dla etanolu z kukurydzy produkowanego w USA: jedna jednostka energii z paliw kopalnych jest wymagana do wytworzenia 1,3 jednostki energii z powstałego etanolu. Bilans energetyczny dla etanolu z trzciny cukrowej produkowanego w Brazylii jest korzystniejszy, z jedną jednostką energii z paliw kopalnych potrzebną do wytworzenia 8 z etanolu. Szacunki bilansu energetycznego nie są łatwe, dlatego wygenerowano wiele takich raportów, które są sprzeczne. Na przykład oddzielne badanie pokazuje, że produkcja etanolu z trzciny cukrowej, która wymaga do produktywnego wzrostu klimatu tropikalnego, zwraca od 8 do 9 jednostek energii na każdą wydaną jednostkę, w porównaniu z kukurydzą, która zwraca tylko około 1,34 jednostki energii paliwa za każdą jednostkę zużytej energii. Badanie przeprowadzone w 2006 roku przez University of California Berkeley, po przeanalizowaniu sześciu oddzielnych badań, wykazało, że produkcja etanolu z kukurydzy zużywa znacznie mniej ropy naftowej niż produkcja benzyny.

Dwutlenek węgla , gaz cieplarniany , jest emitowany podczas fermentacji i spalania. Jest to niwelowane przez większe pobieranie dwutlenku węgla przez rośliny w miarę ich wzrostu, aby wyprodukować biomasę. Wytwarzany pewnymi metodami etanol uwalnia mniej gazów cieplarnianych niż benzyna.

Zanieczyszczenie powietrza

W porównaniu z konwencjonalną benzyną bezołowiową , etanol jest wolnym od cząstek stałych źródłem paliwa, które spala się z tlenem, tworząc dwutlenek węgla, tlenek węgla, wodę i aldehydy . Ustawa o czystym powietrzu wymaga dodawania natleniaczy w celu zmniejszenia emisji tlenku węgla w Stanach Zjednoczonych. Dodatek MTBE jest obecnie wycofywany z powodu zanieczyszczenia wód gruntowych, dlatego etanol staje się atrakcyjnym dodatkiem alternatywnym. Obecne metody produkcji obejmują zanieczyszczenie powietrza przez producenta nawozów makroskładnikowych, takich jak amoniak.

Badanie przeprowadzone przez naukowców zajmujących się atmosferą na Uniwersytecie Stanforda wykazało, że paliwo E85 zwiększyłoby ryzyko zgonów związanych z zanieczyszczeniem powietrza w stosunku do benzyny o 9% w Los Angeles w USA: bardzo dużej, miejskiej metropolii opartej na samochodach, co jest najgorszym scenariuszem. Poziomy ozonu są znacznie podwyższone, zwiększając tym samym smog fotochemiczny i pogarszając problemy zdrowotne, takie jak astma.

Brazylia spala znaczne ilości biopaliwa etanolowego. Badania chromatografem gazowym przeprowadzono dla otaczającego powietrza w Sao Paulo w Brazylii i porównano do Osaki w Japonii, która nie spala paliwa etanolowego. Atmosferyczny formaldehyd był o 160% wyższy w Brazylii, a aldehyd octowy był wyższy o 260%.

Dwutlenek węgla

Obliczenia rządu Wielkiej Brytanii dotyczące intensywności węgla bioetanolu z kukurydzy uprawianego w USA i spalanego w Wielkiej Brytanii.
Wykres brytyjskich danych liczbowych dotyczących emisyjności bioetanolu i paliw kopalnych . Wykres ten zakłada, że ​​wszystkie bioetanole są spalane w ich kraju pochodzenia i że wcześniej istniejące tereny uprawne są wykorzystywane do uprawy surowca.

Obliczenie dokładnej ilości dwutlenku węgla wytwarzanego podczas produkcji bioetanolu jest procesem złożonym i niedokładnym, w dużym stopniu uzależnionym od metody produkcji etanolu oraz założeń przyjętych w obliczeniach. Kalkulacja powinna zawierać:

  • Koszt uprawy surowca
  • Koszt transportu surowca do fabryki
  • Koszt przetworzenia surowca na bioetanol

Takie obliczenie może, ale nie musi uwzględniać następujących skutków:

  • Koszt zmiany użytkowania gruntów na obszarze, na którym uprawiany jest surowiec paliwowy.
  • Koszt transportu bioetanolu z fabryki do miejsca wykorzystania
  • Wydajność bioetanolu w porównaniu ze standardową benzyną
  • Ilość dwutlenku węgla wytwarzanego w rurze wydechowej.
  • Korzyści wynikające z produkcji użytecznych produktów ubocznych, takich jak pasza dla bydła czy energia elektryczna.

Wykres po prawej przedstawia dane obliczone przez rząd Wielkiej Brytanii na potrzeby obowiązku paliwowego w transporcie odnawialnym .

W artykule Science ze stycznia 2006 r. z ERG UC Berkeley oszacowano zmniejszenie etanolu z kukurydzy w GHG na 13% po przejrzeniu dużej liczby badań. W korekcie do tego artykułu opublikowanej niedługo po publikacji obniżają szacowaną wartość do 7,4%. A National Geographic artykuł ogólnych (2007) umieszcza się dane o 22% mniej CO 2 emisji w produkcji i wykorzystania na kukurydzy etanolu w stosunku do benzyny i 56% redukcję dla trzciny etanolu. Producent samochodów Ford informuje o 70% redukcji emisji CO 2 z bioetanolem w porównaniu z benzyną w jednym ze swoich pojazdów na elastyczne paliwo.

Dodatkową komplikacją jest to, że produkcja wymaga orki nowej gleby, która powoduje jednorazowe uwolnienie GHG, którego wyrównanie może zająć dziesięciolecia lub stulecia redukcji emisji GHG. Na przykład przekształcenie użytków zielonych w uprawę kukurydzy na etanol wymaga około stu rocznych oszczędności, aby zrekompensować GHG uwolnione z początkowej uprawy.

Zmiana użytkowania gruntów

Do produkcji alkoholu rolniczego konieczne jest rolnictwo na dużą skalę, a to wymaga znacznych ilości ziemi uprawnej. Badacze z University of Minnesota donoszą, że gdyby cała kukurydza uprawiana w USA została wykorzystana do produkcji etanolu, zastąpiłoby to 12% obecnego zużycia benzyny w USA. Istnieją twierdzenia, że ​​grunty do produkcji etanolu są nabywane przez wylesianie, podczas gdy inni zauważyli, że obszary, na których obecnie występują lasy, zwykle nie nadają się do uprawy roślin. W każdym razie rolnictwo może wiązać się ze spadkiem żyzności gleby z powodu redukcji materii organicznej, spadku dostępności i jakości wody, wzrostu zużycia pestycydów i nawozów oraz potencjalnej dyslokacji lokalnych społeczności. Nowa technologia umożliwia rolnikom i przetwórcom coraz większą produkcję tej samej produkcji przy mniejszych nakładach.

Produkcja etanolu celulozowego to nowe podejście, które może złagodzić użytkowanie gruntów i związane z tym obawy. Etanol celulozowy można wytwarzać z dowolnego materiału roślinnego, potencjalnie podwajając plony, w celu zminimalizowania konfliktu między zapotrzebowaniem na żywność a zapotrzebowaniem na paliwo. Zamiast wykorzystywać tylko skrobiowe produkty uboczne z mielenia pszenicy i innych upraw, produkcja etanolu celulozowego maksymalizuje wykorzystanie wszystkich materiałów roślinnych, w tym glutenu. Takie podejście miałoby mniejszy ślad węglowy, ponieważ ilość energochłonnych nawozów i fungicydów pozostaje taka sama, zapewniając wyższą wydajność materiału użytkowego. Technologia wytwarzania etanolu celulozowego jest obecnie na etapie komercjalizacji .

Wykorzystanie biomasy do produkcji energii elektrycznej zamiast etanolu

Zgodnie z analizą opublikowaną w Science w maju 2009 roku, konwersja biomasy na energię elektryczną do ładowania pojazdów elektrycznych może być bardziej „przyjazną dla klimatu” opcją transportu niż wykorzystanie biomasy do produkcji paliwa etanolowego. etanol i zaawansowane akumulatory samochodowe.

Koszty zdrowotne emisji etanolu

Na każdy miliard galonów ekwiwalentu etanolu wyprodukowanego i spalonego w USA, łączne koszty związane ze zmianami klimatycznymi i zdrowiem wynoszą 469  milionów dolarów na benzynę, 472-952  miliony dolarów na etanol z kukurydzy, w zależności od źródła ciepła w biorafinerii (gaz ziemny, piec kukurydziany lub węgla) i technologii, ale tylko 123–208  mln USD na etanol celulozowy w zależności od surowca (biomasa preriowa, miskant, słoma lub proso rózgowe ).

Wydajność wspólnych upraw

W miarę poprawy wydajności etanolu lub wprowadzania różnych surowców produkcja etanolu może stać się bardziej opłacalna ekonomicznie w USA. Obecnie trwają badania nad poprawą wydajności etanolu z każdej jednostki kukurydzy z wykorzystaniem biotechnologii. Ponadto tak długo, jak ceny ropy naftowej pozostają wysokie, opłacalne staje się ekonomiczne wykorzystanie innych surowców, takich jak celuloza . Produkty uboczne, takie jak słoma lub wióry drzewne, można przekształcić w etanol. Gatunki szybko rosnące, takie jak proso prosa rózgowe, mogą być uprawiane na gruntach nieodpowiednich dla innych upraw dochodowych i dają wysoki poziom etanolu na jednostkę powierzchni.

Przyciąć Roczna wydajność (litry/ha, galony amerykańskie/akr) Oszczędności na gazie cieplarnianym w
porównaniu z benzyną [a]
Odporność na zimno

Limit stref

Gorący

Limit strefy mrozoodporności

Uwagi
Trzcina cukrowa 6800–8000 l/ha,
727–870 gal/akr
87%-96% 9 13 Wieloroczna trawa roczna. Używany jako surowiec do większości bioetanolu produkowanego w Brazylii. Nowsze zakłady przetwórcze spalają pozostałości, które nie są wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej z etanolu. Rośnie tylko w klimacie tropikalnym i subtropikalnym.
Miskant 7300 l/ha,
780 gal/akr
37%-73% 5 9 Trawa wieloletnia o niskim nakładzie pracy. Produkcja etanolu uzależniona jest od rozwoju technologii celulozowej.
Czerwona trawa 3100-7600 l/ha,
330-810 gal/akr
37%-73% 5 9 Trawa wieloletnia o niskim nakładzie. Produkcja etanolu uzależniona jest od rozwoju technologii celulozowej. Trwają starania hodowlane w celu zwiększenia plonów. Możliwa wyższa produkcja biomasy przy mieszanych gatunkach traw wieloletnich.
Topola 3700–6000 l/ha,
400–640 gal/akr
51%–100% 3 9 Szybko rosnące drzewo. Produkcja etanolu uzależniona jest od rozwoju technologii celulozowej. Ukończenie projektu sekwencjonowania genomowego wspomoże wysiłki hodowlane w celu zwiększenia plonów.
Słodkie sorgo 2500–7000 l/ha,
270–750 gal/akr
Brak danych 9 12 Trawa roczna o niskim nakładzie. Możliwa produkcja etanolu przy użyciu istniejącej technologii. Rośnie w klimacie tropikalnym i umiarkowanym, ale najwyższe szacunki wydajności etanolu zakładają wiele zbiorów rocznie (możliwe tylko w klimacie tropikalnym). Źle się przechowuje.
kukurydza 3100–4000 l/ha,
330–424 gal/akr
10%-20% 4 8 Wysokonakładowa trawa roczna. Używany jako surowiec do większości bioetanolu produkowanego w USA. Tylko jądra mogą być przetwarzane przy użyciu dostępnych technologii; Rozwój komercyjnej technologii celulozowej umożliwiłby wykorzystanie pieca i zwiększenie wydajności etanolu o 1100 – 2000 litrów/ha.
Burak cukrowy 6678 l/ha,

714 gal/akr

Brak danych 2 10 Uprawiane jako uprawa etanolu we Francji.
Maniok 3835 l/ha,

410 gal/akr

Brak danych 10 13 Uprawiane jako uprawa etanolu w Nigerii.
Pszenica 2591 l/ha,

277 gal/akr

Brak danych 3 12 Uprawiane jako uprawa etanolu we Francji.
Źródło (poza wskazanymi): Nature 444 (7 grudnia 2006): 673–676.
[a] – Oszczędności emisji gazów cieplarnianych przy założeniu braku zmiany użytkowania gruntów (z wykorzystaniem istniejących gruntów uprawnych).

Zmniejszony import i koszty ropy naftowej

Jednym z uzasadnień dla ekstensywnej produkcji etanolu w USA jest jego korzyść dla bezpieczeństwa energetycznego , poprzez przesunięcie zapotrzebowania na część ropy naftowej produkowanej za granicą na źródła energii produkowane w kraju. Produkcja etanolu wymaga znacznej ilości energii, ale obecna produkcja w USA czerpie większość tej energii z węgla, gazu ziemnego i innych źródeł, a nie ropy naftowej. Ponieważ 66% ropy zużywanej w USA pochodzi z importu, w porównaniu z nadwyżką netto węgla i zaledwie 16% gazu ziemnego (dane z 2006 r.), zastąpienie paliw ropopochodnych etanolem powoduje przesunięcie netto z zagranicznych USA do krajowych źródła energii.

Według analizy przeprowadzonej w 2008 roku przez Iowa State University, wzrost produkcji etanolu w USA spowodował, że ceny detaliczne benzyny są o 0,29 do 0,40 USD za galon niższe niż w innym przypadku.

Sporty motorowe

Leon Duray zakwalifikował się na trzecim miejscu do wyścigu samochodowego Indianapolis 500 w 1927 roku z samochodem napędzanym etanolem. IndyCar Series przyjął 10% mieszankę etanolu na sezon 2006 oraz mieszankę 98% w 2007 r.

Mistrzostwa samochodów sportowych American Le Mans Series wprowadziły E10 w sezonie 2007, aby zastąpić czystą benzynę. W sezonie 2008 E85 został dopuszczony do klasy GT i zespoły zaczęły się na niego przestawiać.

W 2011 roku trzy krajowe serie samochodów wyścigowych NASCAR nakazały przejście z benzyny na E15, mieszankę bezołowiowego paliwa wyścigowego Sunoco GTX i 15% etanolu.

Australijskie mistrzostwa V8 Supercar wykorzystują Shell E85 jako paliwo wyścigowe.

Stock Car Brasil Championship działa na czystym etanolu E100.

Paliwo etanolowe może być również wykorzystywane jako paliwo rakietowe . Od 2010 roku małe ilości etanolu są używane w lekkich samolotach startujących w wyścigach rakietowych .

Zapasowe paliwo do gotowania

Projekt Gaia jest amerykańskim pozarządową , non-profit organizacja zaangażowana w stworzenie rentownego rynku gospodarstw domowych na paliwa na bazie alkoholu w Etiopii i innych krajów rozwijających się . Projekt uważa paliwa alkoholowe za rozwiązanie problemu niedoborów paliwa, szkód w środowisku i problemów zdrowia publicznego spowodowanych tradycyjną kuchnią w krajach rozwijających się. Kierując się do biednych i zmarginalizowanych społeczności, które borykają się z problemami zdrowotnymi od gotowania do zanieczyszczających pożarów, Gaia pracuje obecnie w Etiopii , Nigerii , Brazylii , Haiti i Madagaskarze oraz jest na etapie planowania projektów w kilku innych krajach.

Badania

Fabryka etanolu w hrabstwie Turner , Dakota Południowa

Badania nad etanolem koncentrują się na źródłach alternatywnych, nowatorskich katalizatorach i procesach produkcyjnych. INEOS wyprodukował etanol z materiału roślinnego i odpadów drzewnych. Bakterii E.coli po inżynierii genetycznej z krowy żwacza genów i enzymów może wytwarzać etanolu ze słomy kukurydzianej . Inne potencjalne surowce to odpady komunalne, produkty z recyklingu, łuski ryżowe , wytłoki z trzciny cukrowej , zrębki drzewne, proso rózgowe i dwutlenek węgla .

Bibliografia

  • J. Goettemoellera; A. Goettemoellera (2007). Zrównoważony etanol: biopaliwa, biorafinerie, biomasa celulozowa, pojazdy o napędzie elastycznym i zrównoważone rolnictwo na rzecz niezależności energetycznej (Krótkie i wyczerpujące sprawozdanie z historii, ewolucji i przyszłości etanolu) . Wydawnictwo Prairie Oak, Maryville, Missouri. Numer ISBN 978-0-9786293-0-4.
  • Onuki, Shinnosuke; Koziel, Jacek A.; van Leeuwen, Johannes; Jenks, William S.; Grewella, Davida; Cai, Lingshuang (czerwiec 2008). Techniki produkcji, oczyszczania i analizy etanolu: przegląd . 2008 Doroczne Międzynarodowe Spotkanie ASABE. Providence, Rhode Island . Pobrano 16 lutego 2013 .
  • Instytut Worldwatch (2007). Biopaliwa dla transportu: globalny potencjał i konsekwencje dla energetyki i rolnictwa (widok globalny obejmuje studia przypadków Brazylii, Chin, Indii i Tanzanii) . Londyn, Wielka Brytania: Publikacje Earthscan. Numer ISBN 978-1-84407-422-8.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki