وقود الإيثانول هو الكحول الإيثيلي ، وهو نفس النوع من الكحول الموجود في المشروبات الكحولية ، ويستخدم كوقود. هو غالبا ما يستخدم كوقود للسيارات ، أساسا كمضاف للوقود الحيوي للبنزين. كانت أول سيارة إنتاج تعمل بالكامل على الإيثانول هي فيات 147 ، التي أدخلتها فيات عام 1978 في البرازيل. يصنع الإيثانول عادة من الكتلة الحيوية مثل الذرة أو قصب السكر. زاد إنتاج العالم من الإيثانول لوقود النقل ثلاثة أضعاف بين 2000 و 2007 من 17 × 109 لتر (4.5 × 109 جالون أمريكي ، 3.7 × 109 جالون غالون) إلى أكثر من 52 × 109 لتر (1.4 × 1010 غالونا ؛ 1.1 × 1010 جالون جالون). من عام 2007 إلى عام 2008 ، ارتفعت حصة الإيثانول في الاستخدام العالمي للوقود من البنزين من 3.7٪ إلى 5.4٪. في عام 2011 ، بلغ إنتاج وقود الإيثانول في جميع أنحاء العالم 8.46 × 1010 ليتر (2.23 × 1010 جالون أمريكي ، 1.86 × 1010 جالون) ، بينما كانت الولايات المتحدة الأمريكية والبرازيل من أكبر المنتجين ، حيث شكلت 62.2٪ و 25٪ من الإنتاج العالمي على التوالي. بلغ إنتاج الإيثانول في الولايات المتحدة 57.54 × 109 لترًا (1.520 × 1010 جالون أمريكي ، 1.266 × 1010 جالونًا في عام 2017).

وقود الإيثانول لديه قيمة “معادلة جالون للغالون” (GGE) بقيمة 1.5 ، أي ليحل محل طاقة حجم واحد من البنزين ، هناك حاجة 1.5 مرة من حجم الإيثانول.

ويستخدم الوقود المخلوط بالإيثانول على نطاق واسع في البرازيل والولايات المتحدة وأوروبا (انظر أيضًا وقود الإيثانول حسب البلد). يمكن لمعظم السيارات على الطرق اليوم في الولايات المتحدة أن تعمل على مزيج من الإيثانول يصل إلى 10 ٪ ، والإيثانول يمثل 10 ٪ من إمدادات وقود البنزين الأمريكي المستمدة من المصادر المحلية في عام 2011. وعلاوة على ذلك ، العديد من السيارات اليوم هي مركبات وقود مرنة قادرة على استخدام وقود الإيثانول بنسبة 100 ٪.

منذ عام 1976 ، جعلت الحكومة البرازيلية من الإلزامي مزج الإيثانول بالبنزين ، ومنذ عام 2007 أصبح المزيج القانوني حوالي 25٪ من الإيثانول و 75٪ من البنزين (E25). وبحلول ديسمبر 2011 ، كان لدى البرازيل أسطول يتكون من 14.8 مليون سيارة تعمل بالوقود المرن وشاحنة خفيفة و 1.5 مليون دراجة بخارية مملوءة بالوقود تستخدم بانتظام وقود الإيثانول (المعروف باسم E100).

يعتبر البيوإيثانول أحد أشكال الطاقة المتجددة التي يمكن إنتاجها من المواد الأولية الزراعية. ويمكن صنعه من محاصيل شائعة جدا مثل القنب وقصب السكر والبطاطا والكسافا والذرة. كان هناك جدل كبير حول مدى فائدة الإيثانول الحيوي في استبدال البنزين. وتتعلق المخاوف المتعلقة بإنتاجه واستخدامه بزيادة أسعار المواد الغذائية بسبب الكمية الكبيرة من الأراضي الصالحة للزراعة المطلوبة للمحاصيل ، فضلاً عن توازن الطاقة والتلوث في دورة إنتاج الإيثانول بأكملها ، خاصةً من الذرة. قد التطورات الأخيرة مع إنتاج الإيثانول السليلوزية والتسويق تهدئة بعض هذه المخاوف.

يقدم الإيثانول السليولوزي الوعد لأن ألياف السليلوز ، وهي مكون رئيسي وعاملي في جدران الخلايا النباتية ، يمكن استخدامها لإنتاج الإيثانول.وفقا لوكالة الطاقة الدولية ، يمكن أن الإيثانول السليلوزية تسمح الوقود الإيثانول للعب دور أكبر بكثير في المستقبل.

كيمياء
أثناء تخمير الإيثانول ، يتم تحويل الجلوكوز والسكريات الأخرى في الذرة (أو قصب السكر أو المحاصيل الأخرى) إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون.

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2 C ₂ H ₅ OH + 2 CO ₂ + heat
إن تخمر الإيثانول ليس انتقائي بنسبة 100٪ مع المنتجات الجانبية مثل حمض الأسيتيك وجليكول. يتم إزالتها في الغالب أثناء تنقية الإيثانول.التخمر يحدث في محلول مائي. يحتوي الحل الناتج على محتوى إيثانول بنسبة 15٪ تقريبًا. يتم بعد ذلك عزل الإيثانول وتنقيته عن طريق مزيج من الامتزاز والتقطير.

أثناء الاحتراق ، يتفاعل الإيثانول مع الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء والحرارة:

C ₂ H ₅ OH + 3 O ₂ → 2 CO ₂ + 3 H ₂ O + heat
جزيئات النشا والسليولوز هي سلاسل من جزيئات الجلوكوز. من الممكن أيضًا إنتاج الإيثانول من المواد السليولوزية. هذا ، ومع ذلك ، يتطلب المعالجة المسبقة التي تقسم السليلوز إلى جزيئات الجلوكوز والسكريات الأخرى التي يمكن في وقت لاحق أن تكون مخمرة. يسمى الناتج الناتج بالإيثانول السليولوزي ، مما يدل على مصدره.

كما يتم إنتاج الإيثانول صناعياً من الإثيلين عن طريق ترطيب الرابطة المزدوجة في وجود محفز ودرجة حرارة عالية.

C ₂ H ₄ + H ₂ O → C ₂ H ₅ OH
يتم إنتاج معظم الإيثانول عن طريق التخمر.

مصادر
حوالي 5 ٪ من الإيثانول المنتج في العالم في عام 2003 كان في الواقع منتج بترولي. وهو مصنوع من الترطيب الحفزي للإثيلين مع حامض الكبريتيك كمحفز. كما يمكن الحصول عليها عبر الإيثيلين أو الأسيتيلين ، من كربيد الكالسيوم والفحم وغاز النفط ومصادر أخرى. يتم إنتاج مليوني طن قصير (1،786،000 طن طويل ؛ 1،814،000 طن) من الإيثانول المشتق من البترول سنوياً. الموردين الرئيسيين هم النباتات في الولايات المتحدة وأوروبا وجنوب أفريقيا. الإيثانول المشتق من البترول (الإيثانول التركيبي) مطابق كيميائياً للإيثانول الحيوي ويمكن تمييزه فقط عن طريق التأريخ بالكربون المشع.

يتم الحصول على الإيثانول الحيوي عادة من تحويل خام التغذية القائم على الكربون. تعتبر المواد الأولية الزراعية قابلة للتجديد لأنها تحصل على الطاقة من الشمس باستخدام التمثيل الضوئي ، شريطة أن تعاد جميع المعادن المطلوبة للنمو (مثل النيتروجين والفوسفور) إلى الأرض.يمكن إنتاج الإيثانول من مجموعة متنوعة من المواد الأولية مثل قصب السكر ، قصب السكر ، ميسكانتوس ، بنجر السكر ، الذرة الرفيعة ، الحبوب ، التبن ، الشعير ، القنب ، الكناف ، البطاطا ، البطاطا الحلوة ، الكسافا ، عباد الشمس ، الفاكهة ، العسل الأسود ، الذرة ، الحبار ، الحبوب والقمح والقش والقطن والكتلة الحيوية الأخرى ، فضلا عن العديد من أنواع النفايات السليلوز والحصاد ، أيهما لديه أفضل تقييم للعجلة.

يتم تطوير عملية بديلة لإنتاج الإيثانول الحيوي من الطحالب من قبل شركة Algenol. بدلا من زراعة الطحالب ثم حصادها وتخمرها ، تنمو الطحالب في ضوء الشمس وتنتج الإيثانول مباشرة ، والتي تتم إزالتها دون قتل الطحالب. ويزعم أن العملية يمكن أن تنتج 6000 غالون أمريكي لكل فدان (5000 جالون إمبريالي لكل فدان ؛ و 56،000 لتر لكل هكتار) سنوياً مقارنة بـ 400 غالون أمريكي لكل فدان (330 طن / فدان / 3700 لتر / هكتار) لإنتاج الذرة.

في الوقت الحالي ، لا تستخدم عمليات الجيل الأول لإنتاج الإيثانول من الذرة سوى جزء صغير من نبات الذرة: يتم أخذ حبات الذرة من نبات الذرة ويتم تحويل النشا فقط ، الذي يمثل حوالي 50 ٪ من كتلة النواة الجافة ، في الايثانول. هناك نوعان من عمليات الجيل الثاني قيد التطوير.يستخدم النوع الأول الإنزيمات وتخمر الخميرة لتحويل السليلوز النباتي إلى إيثانول بينما يستخدم النوع الثاني الانحلال الحراري لتحويل النبات بأكمله إلى زيت حيوي سائل أو غاز تخليقي. يمكن أيضًا استخدام عمليات الجيل الثاني مع النباتات مثل الأعشاب أو الخشب أو النفايات الزراعية مثل القش.

إنتاج
على الرغم من وجود طرق مختلفة لإنتاج وقود الإيثانول ، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا هي عن طريق التخمر.

الخطوات الأساسية للإنتاج على نطاق واسع من الإيثانول هي: تخمر الميكروبية (الخميرة) من السكريات ، التقطير ، الجفاف (المتطلبات تختلف ، انظر مخاليط وقود الإيثانول ، أدناه) ، تغيير طبيعة (اختياري). قبل التخمير ، تتطلب بعض المحاصيل التكسير أو التحلل المائي للكربوهيدرات مثل السليلوز والنشا إلى السكريات. يسمى Saccharification من السليلوز cellulolysis (انظر الإيثانول السليلوزية).تستخدم الانزيمات لتحويل النشاء إلى سكر.

تخمير
يتم إنتاج الإيثانول بالتخمر الميكروبي للسكر. التخمر الميكروبي حاليا يعمل فقط مباشرة مع السكريات. مكونان رئيسيان من النباتات والنشا والسليولوز ، كلاهما مصنوعان من السكريات ، ويمكنهما ، من حيث المبدأ ، تحويلهما إلى سكريات للتخمير. حالياً ، يمكن فقط تحويل السكر (مثل قصب السكر) والنشا (مثل الذرة) إلى أجزاء اقتصادية. هناك الكثير من النشاط في مجال الإيثانول السليولوزي ، حيث يتم تقسيم جزء السليلوز من النبات إلى السكريات ثم يتم تحويله لاحقًا إلى الإيثانول.

التقطير
لكي يصبح الإيثانول قابلاً للاستخدام كوقود ، يجب إزالة المواد الصلبة من الخميرة وأغلبية المياه. بعد التخمير ، يتم تسخين الهريس بحيث يتبخر الإيثانول. هذه العملية ، المعروفة بالتقطير ، تفصل الإيثانول ، لكن نقاوتها تقتصر على 95-96٪ بسبب تكوين إيزيوتروب ذو إيثانول ماء منخفض الغليان مع أقصى (95.6٪ m / m (96.5٪ v / v) إيثانول و 4.4 ٪ م / م (3.5 ٪ V / V) الماء). يطلق على هذا الخليط اسم الإيثانول المائي ويمكن استخدامه كوقود فقط ، ولكن على عكس الإيثانول اللامائي ، لا يكون الإيثانول المائي قابلاً للامتزاج في جميع النسب مع البنزين ، لذلك يتم إزالة جزء الماء عادةً في العلاج الإضافي للحرق بالاقتران مع البنزين في محركات البنزين .

تجفيف
هناك ثلاث عمليات إزالة الجفاف لإزالة الماء من خليط الإيثانول / الماء عزيزي. العملية الأولى ، التي تستخدم في العديد من محطات الإيثانول الوقودية في وقت مبكر ، تسمى التقطير azeotropic وتتكون من إضافة البنزين أو سيكلو هكسان إلى الخليط. عندما يتم إضافة هذه المكونات إلى الخليط ، فإنها تشكل خليطاً متغاير الأيزوتروبيك في توازن البخار والسائل السائل ، والذي عندما ينتج المقطر إيثانول لا مائي في قاع العمود ، ومزيج بخار الماء والإيثانول وسيكلو هكسان / بنزين.

عندما يكثف ، يصبح هذا خليط سائل ثنائي الطور. يتم تجريد الطور الأثقل ، الفقير في المحتوي (بنزين أو سيكلو هكسان) من المحتوي وإعادة تدويره إلى التغذية – في حين يتم إعادة تدوير الطور الأخف ، مع تكثيف من التجريد ، إلى العمود الثاني. وهناك طريقة أخرى مبكرة ، تسمى التقطير الاستخراجي ، تتكون من إضافة مكون ثلاثي يزيد من التقلب النسبي للإيثانول. عندما يتم تقطير الخليط الثلاثي ، فإنه ينتج إيثانول لا مائي على الجزء العلوي من العمود.

مع تزايد الاهتمام بتوفير الطاقة ، تم اقتراح العديد من الطرق التي تتجنب التقطير تمامًا بسبب الجفاف. من بين هذه الطرق ، ظهرت طريقة ثالثة وتم اعتمادها من قبل غالبية مصانع الإيثانول الحديثة. تستخدم هذه العملية الجديدة المناخل الجزيئية لإزالة الماء من الإيثانول الوقود. في هذه العملية ، يمر بخار الإيثانول تحت الضغط عبر فراش من الخرز المنخل الجزيئي. حجم مسام الخرزة يسمح بإمتصاص الماء مع استبعاد الإيثانول. بعد فترة من الزمن ، يتم إعادة توليد السرير تحت الفراغ أو في تدفق الجو الخامل (على سبيل المثال N2) لإزالة الماء الممتز. غالبًا ما يتم استخدام اثنين من الأسِرَّة بحيث يكون أحدهما متاحًا لامتصاص الماء بينما يتم تجديد الآخر. يمكن لتقنية التجفيف هذه أن تساهم في توفير الطاقة بمقدار 3000 وحدة حرارية / جالون (840 كيلو جول / لتر) مقارنة بالتقطير الأزيوتروبيكي السابق.

أثبتت الأبحاث الحديثة أن التجفاف الكامل قبل المزج مع البنزين ليس ضروريًا دائمًا. وبدلاً من ذلك ، يمكن مزج الخليط الأزيوتروبي مباشرًا بالبنزين بحيث يمكن أن يساعد توازن الطور السائل السائل في القضاء على الماء. يمكن أن يحقق الإعداد الحالي المضاد ذي المرحلتين لخزانات المستوطنين الخلاط الاسترداد الكامل للإيثانول في طور الوقود ، مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة.

قضايا المياه بعد الإنتاج
الإيثانول هو استرطابي ، بمعنى أنه يمتص بخار الماء مباشرة من الغلاف الجوي. لأن الماء الممتص يخفف من قيمة الوقود في الإيثانول وقد يتسبب في فصل الطور من خلائط الإيثانول والبنزين (التي تسبب توقف المحرك) ، يجب أن تظل حاويات وقود الإيثانول مغلقة بإحكام. هذا الامتزاج العالي مع الماء يعني أنه لا يمكن شحن الإيثانول بكفاءة من خلال خطوط الأنابيب الحديثة ، مثل الهيدروكربونات السائلة ، لمسافات طويلة.

جزء الماء الذي يمكن أن يحتوي عليه وقود الإيثانول – البنزين بدون فصل الطور مع نسبة الإيثانول. على سبيل المثال ، يمكن أن يصل E30 إلى حوالي 2٪ من الماء. إذا كان هناك أكثر من حوالي 71٪ من الإيثانول ، فإن الباقي يمكن أن يكون أي نسبة من الماء أو البنزين ولا يحدث فصل الطور. انخفض عدد الوقود مع زيادة محتوى الماء. يسمح زيادة قابلية الذوبان في الماء مع محتوى إيثانول أعلى E30 ووضع الإيثانول المائي في نفس الخزان لأن أي تركيبة منها تؤدي دائمًا إلى مرحلة واحدة. يتم تحمل أقل من الماء في درجات حرارة أقل. بالنسبة إلى E10 فهو يبلغ حوالي 0.5٪ v / v عند 21 درجة مئوية وينخفض ​​إلى 0.23٪ v / v عند −34 درجة مئوية.

نظم الإنتاج الاستهلاكي
في حين تم تسويق أنظمة إنتاج وقود الديزل الحيوي إلى المستخدمين في المنازل والأعمال التجارية لسنوات عديدة ، فإن أنظمة إنتاج الإيثانول التجارية المصممة للاستخدام النهائي للمستهلكين قد تأخرت في السوق. في عام 2008 ، أعلنت شركتان مختلفتان أنظمة إنتاج الإيثانول على مستوى المنازل. نظام الوقود المتقدم AFS125 من Allard Research و Development قادر على إنتاج كل من الإيثانول والديزل الحيوي في جهاز واحد ، في حين أن E-100 MicroFueler من E-Fuel Corporation مخصص للإيثانول فقط.

محركات

اقتصاد الوقود
يحتوي الإيثانول تقريبا. طاقة أقل بنسبة 34 ٪ لكل وحدة حجم من البنزين ، وبالتالي من الناحية النظرية ، فإن حرق الإيثانول النقي في السيارة يقلل من الأميال لكل جالون أمريكي 34 ٪ ، نظرا لاقتصاد الوقود نفسه ، مقارنة بحرق البنزين النقي. ومع ذلك ، بما أن الإيثانول له معدل أعلى من الأوكتان ، فإن المحرك يمكن أن يصبح أكثر كفاءة عن طريق رفع نسبة الضغط. باستخدام هندسة متغير أو شاحن توربيني مزدوج ، يمكن تحسين نسبة الضغط للوقود ، مما يجعل اقتصاد الوقود ثابتًا تقريبًا لأي مزيج.

بالنسبة إلى E10 (10٪ من الإيثانول و 90٪ من البنزين) ، يكون التأثير صغيرًا (~ 3٪) مقارنة بالبنزين التقليدي ، وحتى أصغر (1-2٪) عند مقارنته بمزيج من الأكسجين وإعادة التشكيل. بالنسبة لـ E85 (الإيثانول بنسبة 85٪) ، يصبح التأثير كبيرًا. E85 تنتج أقل من عدد الكيلومترات من البنزين ، ويتطلب إعادة التزود بالوقود أكثر تكرارا. قد يختلف الأداء الفعلي حسب السيارة. استنادًا إلى اختبارات وكالة حماية البيئة لجميع طرازات E85 لعام 2006 ، كان متوسط ​​استهلاك الوقود لمركبات E85 أقل بنسبة 25.56٪ من البنزين الخالي من الرصاص.ينبغي النظر في المسافة المقطوعة من وكالة حماية البيئة للولايات المتحدة من المركبات ذات الوقود المرن الحالية عند إجراء مقارنات الأسعار ، ولكن E85 هو وقود عالي الأداء ، مع تصنيف الأوكتان من حوالي 94-96 ، وينبغي مقارنته بالعلاوة.

بداية باردة خلال فصل الشتاء
تمثل خلائط الإيثانول العالية مشكلة في تحقيق ضغط بخار كافي ليتبخر الوقود ويطلق شرارة الاشتعال أثناء الطقس البارد (حيث أن الإيثانول يميل إلى زيادة المحتوى الحراري للبخور للتبخر). عندما يكون ضغط البخار أقل من 45 كيلوباسكال ، يصبح من الصعب تشغيل محرك بارد.لتجنب هذه المشكلة عند درجات حرارة أقل من 11 درجة مئوية (52 درجة فهرنهايت) ، ولتقليل الانبعاثات العالية من الإيثانول أثناء الطقس البارد ، اعتمدت كل من الولايات المتحدة والأسواق الأوروبية E85 على أنها أكبر مزج يمكن استخدامه في مركبات الوقود المرنة ، هي الأمثل لتشغيل في مثل هذا المزيج. في الأماكن ذات الطقس البارد القاسي ، يخلط مزيج الإيثانول في الولايات المتحدة انخفاضاً موسميًا إلى E70 لهذه المناطق شديدة البرودة ، على الرغم من أنه لا يزال يباع باسم E85. في الأماكن التي تقل فيها درجات الحرارة عن −12 درجة مئوية (10 درجة فهرنهايت) خلال فصل الشتاء ، يوصى بتركيب نظام تدفئة المحرك ، سواء بالنسبة للبنزين أو E85. السويد لديها تخفيض موسمي مماثل ، ولكن يتم تقليل محتوى الإيثانول في الخليط إلى E75 خلال أشهر الشتاء.

يمكن لمركبات الوقود المرن البرازيلية أن تعمل بمخلطات الإيثانول حتى E100 ، وهو إيثانول مائي (مع ما يصل إلى 4٪ ماء) ، مما يؤدي إلى انخفاض ضغط البخار أسرع مقارنة بالمركبات E85. ونتيجة لذلك ، تم بناء سيارات مرنة من البرازيل مع خزان صغير للبنزين ثانوي يقع بالقرب من المحرك. خلال بداية باردة يتم حقن البنزين النقي لتجنب المشاكل عند درجات الحرارة المنخفضة. هذا الحكم ضروري بشكل خاص لمستخدمي المناطق الجنوبية والوسطى من البرازيل ، حيث تنخفض درجات الحرارة عادة إلى ما دون 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت) خلال فصل الشتاء. تم إطلاق جيل محسن لمحركات المرن في عام 2009 مما يلغي الحاجة إلى خزان تخزين الغاز الثانوي. في مارس 2009 ، أطلقت فولكس واجن دو برازيل بولو E-Flex ، وهو أول طراز للوقود المرن البرازيلي بدون خزان إضافي للبداية الباردة.

خليط الوقود
في العديد من البلدان ، يتم تفويض السيارات للعمل على خليط من الإيثانول. تم إنشاء جميع سيارات الخدمة الخفيفة البرازيلية للعمل من أجل مزيج من الإيثانول يصل إلى 25٪ (E25) ، ومنذ عام 1993 يتطلب القانون الفيدرالي خلطات بين 22٪ و 25٪ من الإيثانول ، مع مطلوب 25٪ اعتبارًا من منتصف يوليو 2011. بنيت الولايات المتحدة جميع المركبات الخفيفة للعمل بشكل طبيعي مع مزيج الإيثانول من 10 ٪ (E10). في نهاية عام 2010 تم مزج أكثر من 90 في المائة من جميع البنزين الذي تم بيعه في الولايات المتحدة بالإيثانول. في يناير 2011 أصدرت وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) تنازلاً لتخويل ما يصل إلى 15٪ من الإيثانول المخلوط بالبنزين (E15) ليتم بيعه فقط للسيارات والشاحنات الخفيفة ذات طراز عام 2001 أو أحدث.

بدءاً من طراز عام 1999 ، يتم تصنيع عدد متزايد من السيارات في العالم بمحركات يمكن تشغيلها على أي وقود من الإيثانول بنسبة 0٪ حتى الإيثانول بنسبة 100٪ دون تعديل. تم تصميم العديد من السيارات والشاحنات الخفيفة (فئة تحتوي على شاحنات صغيرة وسيارات الدفع الرباعي والشاحنات الصغيرة) لتكون مركبات وقود مرنة باستخدام مزيج الإيثانول حتى 85٪ (E85) في أمريكا الشمالية وأوروبا ، وما يصل إلى 100٪ (E100) في البرازيل . في سنوات الطراز الأقدم ، احتوت أنظمة محركها على مستشعرات كحول في الوقود و / أو مستشعرات الأكسجين في العادم الذي يوفر مدخلات إلى حاسوب التحكم في المحرك لضبط حقن الوقود لتحقيق قياس الجسم (لا يوجد وقود متبقي أو الأكسجين الحر في العادم) إلى نسبة الوقود لأي مزيج الوقود. في الموديلات الأحدث ، تمت إزالة أجهزة استشعار الكحول ، مع استخدام الكمبيوتر فقط لملاحظات مستشعر الأوكسجين والهواء المتدفق لتقدير محتوى الكحول. كما يمكن لجهاز الكمبيوتر الخاص بالتحكم في المحرك ضبط (توقيت) توقيت الإشعال لتحقيق إخراج أعلى دون وجود إشعال مسبق عندما يتنبأ بوجود نسب كحولية أعلى في الوقود الذي يتم حرقه.هذه الطريقة مدعومة بأجهزة استشعار متقدمة – تستخدم في معظم محركات البنزين عالية الأداء بغض النظر عما إذا كانت مصممة لاستخدام الإيثانول أم لا – والتي تكشف عن الإشعال المسبق والتفجير.

تكوينات المحرك الأخرى

محركات ED95
منذ عام 1989 كانت هناك أيضا محركات الإيثانول على أساس مبدأ الديزل العاملة في السويد. يتم استخدامها في المقام الأول في حافلات المدينة ، ولكن أيضا في شاحنات التوزيع وجامعي النفايات. المحركات ، التي تصنعها سكانيا ، لديها نسبة ضغط معدلة ، والوقود (المعروف باسم ED95) المستخدم هو مزيج من 93.6 ٪ من الإيثانول و 3.6 ٪ محسن الاشتعال ، و 2.8 ٪ اللاتزعزع. يجعل محسن الاشتعال من الممكن إشعال الوقود في دورة احتراق الديزل. ومن الممكن أيضًا استخدام كفاءة الطاقة لمبدأ الديزل مع الإيثانول. تم استخدام هذه المحركات في المملكة المتحدة بواسطة حافلات القراءة ، ولكن يتم الآن التخلص من استخدام وقود الإيثانول الحيوي.

حقن مباشر بالوقود المزدوج
حددت دراسة أجريت على معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 2004 وبحث سابق نشرته جمعية مهندسي السيارات طريقة لاستغلال خصائص وقود الإيثانول بشكل فعال أكثر من مزجها بالبنزين. تقدم هذه الطريقة إمكانية الاستفادة من استخدام الكحول لتحقيق تحسن واضح على فعالية تكلفة الكهرباء الهجينة. ويتكون التحسين من استخدام الحقن المباشر للوقود المزدوج للكحول النقي (أو الأيزوتروب أو E85) والبنزين ، بأي نسبة تصل إلى 100٪ من أي منهما ، في نسبة الضغط التوربيني المرتفع ، ومحرك الإزاحة الصغيرة التي لها أداء مماثل لمحرك لديه ضعف النزوح. يتم نقل كل وقود على حدة ، مع خزان أصغر للكحول. يعمل المحرك عالي الضغط (من أجل كفاءة أعلى) على البنزين العادي في ظل ظروف الرحلات منخفضة الطاقة. يتم حقن الكحول مباشرة في الاسطوانات (ويتم تقليل حقن البنزين في نفس الوقت) فقط عند الضرورة لقمع “الضرب” مثلما يحدث عند التسارع بشكل كبير. إن الحقن المباشر للأسطوانة يرفع من نسبة الأوكتان المرتفعة بالفعل من الإيثانول إلى 130 فعالية. إن معدل الاستخدام الإجمالي المحسوب للبنزين وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون هو 30٪. يوضح زمن استرداد تكلفة المستهلك تحسنًا بنسبة 4: 1 عن الديزل التوربيني وتحسين 5: 1 على الهجين. كما يتم تجنب مشاكل امتصاص الماء في بنزين مسبق الخلط (مما يؤدي إلى فصل الطور) ، وقضايا العرض الخاصة بنسب الخلط المتعددة وبداية الطقس البارد.

زيادة الكفاءة الحرارية
في دراسة عام 2008 ، سمحت ضوابط المحرك المعقدة وزيادة تدوير غازات العادم بنسبة انضغاط 19.5 بنوع وقود يتراوح من الإيثانول النظيف إلى E50. الكفاءة الحرارية تصل إلى ما يقرب من ذلك لوقود الديزل. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى اقتصاد الوقود من سيارة إيثانول نظيفة ليكون نفسه تقريبا واحد حرق البنزين.

خلايا الوقود مدعومة من قبل مصلح الإيثانول
في يونيو 2016 ، أعلنت نيسان عن خطط لتطوير سيارات خلايا وقود مدعومة بالإيثانول بدلاً من الهيدروجين ، وهو الوقود المفضل لدى شركات تصنيع السيارات الأخرى التي قامت بتطوير وتسويق سيارات خلايا الوقود ، مثل هيونداي توكسون FCEV وتويوتا ميرا وهوندا FCX وضوح. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا النهج التقني في أنه سيكون أرخص وأسهل في نشر البنية التحتية للتزويد بالوقود أكثر من إعداد الهيكل المطلوب لتوصيل الهيدروجين عند ضغوط عالية ، حيث أن كل محطة لتزويد الهيدروجين بتكلفة تتراوح بين مليون إلى 2 مليون دولار أمريكي لبناءها.

بيئة

توازن الطاقة
تمر كل الكتلة الحيوية ببعض هذه الخطوات على الأقل: فهي تحتاج إلى أن تُزرع وتُجمع وتُجف وتُخمر وتُقطر وتُحرق. كل هذه الخطوات تتطلب الموارد والبنية التحتية. ويعرف إجمالي كمية مدخلات الطاقة في العملية مقارنة بالطاقة الناتجة عن حرق وقود الإيثانول الناتج باسم توازن الطاقة (أو “الطاقة المعادة على الطاقة المستثمرة”). تشير الأرقام التي تم جمعها في تقرير عام 2007 من مجلة ناشيونال جيوغرافيك إلى نتائج متواضعة لإيثانول الذرة المنتج في الولايات المتحدة: هناك حاجة إلى وحدة واحدة من طاقة الوقود الأحفوري لإنشاء 1.3 وحدة طاقة من الإيثانول الناتج. توازن الطاقة لإيثانول قصب السكر المنتج في البرازيل أكثر ملاءمة ، مع وحدة واحدة من طاقة الوقود الأحفوري المطلوبة لإنشاء 8 من الإيثانول. لا يتم إنتاج تقديرات ميزان الطاقة بسهولة ، وبالتالي تم إنشاء العديد من هذه التقارير المتناقضة. على سبيل المثال ، تشير دراسة استقصائية منفصلة إلى أن إنتاج الإيثانول من قصب السكر ، الذي يتطلب مناخًا استوائيًا للنمو بشكل منتج ، يعود من 8 إلى 9 وحدات من الطاقة لكل وحدة تم إنفاقها ، مقارنةً بالذرة التي تعيد فقط نحو 1.34 وحدة من طاقة الوقود. لكل وحدة من الطاقة المنفقة. وقد خلصت دراسة أجرتها جامعة كاليفورنيا في بيركلي عام 2006 ، بعد تحليل ست دراسات منفصلة ، إلى أن إنتاج الإيثانول من الذرة يستهلك نفطًا أقل بكثير من إنتاج البنزين.

ينبعث ثاني أكسيد الكربون ، وهو غاز من غازات الدفيئة ، أثناء عملية التخمير والاحتراق. يتم إلغاء هذا من خلال امتصاص أكبر من ثاني أكسيد الكربون من قبل النباتات لأنها تنمو لإنتاج الكتلة الحيوية. عند مقارنته بالبنزين ، اعتمادا على طريقة الإنتاج ، فإن الإيثانول يطلق كميات أقل من غازات الدفيئة.

تلوث الهواء
وبالمقارنة مع البنزين الخالي من الرصاص التقليدي ، فإن الإيثانول هو مصدر وقود حر يحرق الجسيمات ويقاوم الأكسجين لتشكيل ثاني أكسيد الكربون ، وأول أكسيد الكربون ، والمياه والألدهيدات. يتطلب قانون الهواء النظيف إضافة الأكسجين للحد من انبعاثات أول أكسيد الكربون في الولايات المتحدة. يتم حالياً التخلص من مادة MTBE المضافة بسبب تلوث المياه الجوفية ، وبالتالي يصبح الإيثانول مادة بديلة مضافة بديلة.تشمل طرق الإنتاج الحالية تلوث الهواء من الشركة المصنعة للأسمدة العضوية الكبيرة مثل الأمونيا.

وجدت دراسة أجراها علماء الغلاف الجوي في جامعة ستانفورد أن وقود E85 سيزيد من خطر وفيات تلوث الهواء نسبة إلى البنزين بنسبة 9٪ في لوس أنجلوس ، الولايات المتحدة: مدينة حضرية كبيرة جداً ، مقرها في السيارات ، وهي أسوأ السيناريوهات. يتم زيادة مستويات الأوزون بشكل كبير ، وبالتالي زيادة الضباب الدخاني الكيميائي الضوئي وتفاقم المشاكل الطبية مثل الربو.

نشبع

إن حساب كمية ثاني أكسيد الكربون التي يتم إنتاجها بالضبط في تصنيع الإيثانول الحيوي عملية معقدة وغير دقيقة ، ويعتمد بدرجة كبيرة على الطريقة التي يتم بواسطتها إنتاج الإيثانول والافتراضات التي تم إجراؤها في الحساب. يجب أن تتضمن الحسابات:

تكلفة زراعة المواد الخام
تكلفة نقل المواد الأولية إلى المصنع
تكلفة معالجة المادة الخام في البيوإيثانول

مثل هذه الحسابات قد أو لا تأخذ بعين الاعتبار التأثيرات التالية:

تكلفة التغيير في استخدام الأراضي في المنطقة التي يزرع فيها خام التغذية.
تكلفة نقل الإيثانول الحيوي من المصنع إلى نقطة استخدامه
كفاءة البيوإيثانول مقارنة بالبنزين القياسي
كمية ثاني أكسيد الكربون المنتجة في أنبوب الذيل.
الفوائد الناتجة عن إنتاج منتجات ثنائية مفيدة ، مثل أعلاف الماشية أو الكهرباء.

يظهر الرسم البياني على اليمين الأرقام التي حسبتها حكومة المملكة المتحدة لأغراض الالتزام بوقود النقل المتجدد.

ومن المضاعفات الإضافية أن الإنتاج يتطلب حراثة تربة جديدة تنتج إطلاقًا منفردًا لغازات الدفيئة يمكن أن يستغرق عقودا أو قرون من تخفيضات الإنتاج في انبعاثات غازات الدفيئة لتحقيق التعادل. وكمثال على ذلك ، فإن تحويل الأراضي العشبية إلى إنتاج الذرة للإيثانول يستغرق حوالي قرن من المدخرات السنوية للتعويض عن غازات الدفيئة الصادرة من الحراثة الأولية.

التغيير في استخدام الأراضي
الزراعة على نطاق واسع أمر ضروري لإنتاج الكحول الزراعي وهذا يتطلب كميات كبيرة من الأراضي المزروعة. ذكر باحثو جامعة مينيسوتا أنه إذا تم استخدام كل الذرة المزروعة في الولايات المتحدة لصنع الإيثانول فإنها ستحل محل 12٪ من استهلاك البنزين الحالي في الولايات المتحدة. هناك ادعاءات بأن الأرض لإنتاج الإيثانول يتم الحصول عليها من خلال إزالة الغابات ، بينما لاحظ آخرون أن المناطق التي تدعم الغابات حاليًا ليست مناسبة لزراعة المحاصيل. وعلى أي حال ، قد تنطوي الزراعة على انخفاض في خصوبة التربة بسبب انخفاض المواد العضوية ، وانخفاض في توافر المياه وجودتها ، وزيادة في استخدام المبيدات الحشرية والأسمدة ، والتخلل المحتمل للمجتمعات المحلية.تمكن التكنولوجيا الحديثة المزارعين والمصنعين من إنتاج نفس الإنتاج بشكل متزايد باستخدام مدخلات أقل.

إنتاج الإيثانول السليلوزي هو نهج جديد قد يخفف من استخدام الأراضي والمخاوف ذات الصلة. يمكن إنتاج الإيثانول السليولوزي من أي مادة نباتية ، مما قد يؤدي إلى مضاعفة الإنتاجية ، في محاولة للحد من التعارض بين الاحتياجات الغذائية مقابل احتياجات الوقود. بدلاً من استخدام المنتجات الثانوية للنشويات فقط من طحن القمح والمحاصيل الأخرى ، يزيد إنتاج الإيثانول السليلوزي من استخدام جميع المواد النباتية ، بما في ذلك الغلوتين. سيكون لهذا النهج بصمة كربونية أصغر لأن كمية الأسمدة ومبيدات الفطريات التي تحتاج إلى استهلاك الطاقة تظل كما هي عند زيادة إنتاج المواد القابلة للاستخدام. تكنولوجيا لإنتاج الإيثانول السليلوزية حاليا في مرحلة التسويق.

استخدام الكتلة الحيوية للكهرباء بدلاً من الإيثانول
قد يكون تحويل الكتلة الحيوية إلى كهرباء لشحن السيارات الكهربائية خيار نقل “أكثر ملاءمة للمناخ” من استخدام الكتلة الحيوية لإنتاج وقود الإيثانول ، وفقًا لتحليل نشر في Science في مايو 2009 يواصل الباحثون البحث عن المزيد من التطورات الفعالة من حيث التكلفة في كل من السليولوز الايثانول وبطاريات السيارات المتطورة.

التكاليف الصحية لانبعاثات الإيثانول
لكل مليار جالون مكافئ من الإيثانول من الوقود المنتج والمحترق في الولايات المتحدة ، تبلغ تكاليف التغيير المناخي والصحة مجتمعة 469 مليون دولار للبنزين ، و 472-952 مليون دولار لإيثانول الذرة اعتمادًا على مصدر الحرارة في مصانع التكرير الأحيائية (الغاز الطبيعي ، ووقود الذرة ، أو الفحم (الفحم) والتكنولوجيا ، ولكن فقط 123-208 مليون دولار للإيثانول السليلوزية اعتمادا على المواد الخام (الكتلة الحيوية في البراري ، ميسكانثوس ، وقاية الذرة ، أو التبديل).

كفاءة المحاصيل الشائعة
مع تحسن إنتاج الإيثانول أو إدخال مواد وسيطة مختلفة ، قد يصبح إنتاج الإيثانول أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية في الولايات المتحدة. في الوقت الحالي ، تجري أبحاث حول تحسين إنتاج الإيثانول من كل وحدة من وحدات الذرة باستخدام التكنولوجيا الحيوية. أيضا ، طالما أن أسعار النفط لا تزال مرتفعة ، فإن الاستخدام الاقتصادي للمواد الأولية الأخرى ، مثل السليولوز ، يصبح قابلا للتطبيق. يمكن تحويل المنتجات الثانوية مثل القش أو رقائق الخشب إلى الإيثانول. يمكن زراعة الأنواع سريعة النمو مثل نباتات الأبقار على أرض غير مناسبة لمحاصيل نقدية أخرى وتنتج مستويات عالية من الإيثانول في وحدة المساحة.

ا & قتصاص	العائد السنوي (لتر / هكتار ، الولايات المتحدة غال / فدان)	توفير غازات الاحتباس الحراري مقابل البنزين [أ]	تعليقات
قصب السكر	6800-8000 لتر / هكتار 727-870 جم / فدان	87٪ -96٪	العشب السنوي للموسم الطويل. يستخدم كمواد وسيطة لمعظم الإيثانول المنتج في البرازيل. تحرق مصانع المعالجة الحديثة بقايا لا تستخدم في الإيثانول لتوليد الكهرباء. ينمو فقط في المناخات الاستوائية وشبه الاستوائية.
ميسكانتوس	7300 لتر / هكتار 780 غ / فدان	37٪ -73٪	العشب المعمر منخفض المدخلات. يعتمد إنتاج الإيثانول على تطوير تكنولوجيا السليلوز.
التبن	3100-7600 لتر / هكتار ، 330-810 جم / فدان	37٪ -73٪	العشب المعمر منخفض المدخلات. يعتمد إنتاج الإيثانول على تطوير تكنولوجيا السليلوز. جهود تربية الجارية لزيادة الغلة. إنتاج الكتلة الأحيائية العليا ممكن مع أنواع مختلطة من الأعشاب المعمرة.
حور	3700-6000 لتر / هكتار 400-640 غرام / فدان	51٪ -100٪	شجرة سريعة النمو. يعتمد إنتاج الإيثانول على تطوير تكنولوجيا السليلوز. استكمال مشروع تسلسل الجينوم سيساعد على تربية الجهود لزيادة الغلة.
الذرة الرفيعة	2500-7000 لتر / هكتار 270- 750 جم / فدان	لايوجد بيانات	العشب السنوي منخفض المدخلات. إنتاج الإيثانول ممكن باستخدام التكنولوجيا الحالية. ينمو في المناخات الاستوائية والمعتدلة ، ولكن أعلى تقديرات لعائدات الإيثانول تفترض محاصيل متعددة في السنة (ممكن فقط في المناخات الاستوائية). لا تخزن جيدا.
حبوب ذرة	3100- 4000 ل / هكتار 330-424 جم / فدان	10٪ -20٪	العشب السنوي العالي المدخلات. تستخدم كمادة وسيطة لمعظم الإيثانول المنتج في الولايات المتحدة الأمريكية. يمكن معالجة الحبيبات فقط باستخدام التكنولوجيا المتاحة ؛ تطوير تكنولوجيا السليلوزية التجارية سيسمح باستخدام الفحم الحجري وزيادة إنتاج الإيثانول بنسبة 1،100 – 2،000 لتر / هكتار.
المصدر: Nature 444 (7 كانون الأول / ديسمبر 2006): 673-676.  – وفورات انبعاثات غازات الدفيئة بافتراض عدم تغير استخدام الأراضي (باستخدام الأراضي الزراعية الحالية).

انخفاض واردات البترول وتكاليفه
أحد الأسباب المنطقية للإنتاج المكثف للإيثانول في الولايات المتحدة هو فائدته لأمن الطاقة ، عن طريق تحويل الحاجة إلى بعض النفط المنتج من مصادر أجنبية إلى مصادر الطاقة المنتجة محليًا. يتطلب إنتاج الإيثانول طاقة كبيرة ، ولكن الإنتاج الحالي للولايات المتحدة يستمد معظم هذه الطاقة من الفحم والغاز الطبيعي ومصادر أخرى ، بدلاً من النفط. نظرًا لأن 66٪ من النفط المستهلك في الولايات المتحدة مستورد ، مقارنة بفائض صافٍ من الفحم و 16٪ فقط من الغاز الطبيعي (أرقام من 2006) ، فإن تشريد الوقود النفطي إلى الإيثانول ينتج تحولًا صافٍ من أجنبي إلى أمريكي محلي. مصادر الطاقة.

ووفقًا لتحليل أجرته جامعة ولاية أيوا في عام 2008 ، تسبب نمو إنتاج الإيثانول في الولايات المتحدة في ارتفاع أسعار البنزين بالتجزئة بمقدار 0.29 دولارًا أمريكيًا إلى 0.40 دولارًا للجالون أقل مما كانت عليه في حالة خلاف ذلك.

ابحاث
تركز أبحاث الإيثانول على مصادر بديلة ومحفزات جديدة وعمليات إنتاج. أنتجت INEOS الايثانول من المواد النباتية والخشب النفايات. يمكن أن تنتج بكتيريا E.coli عندما يتم هندستها وراثيا مع جينات الكرش والإنزيمات إنتاج الإيثانول من حطب الذرة. المواد الأولية المحتملة الأخرى هي النفايات البلدية ، المنتجات المعاد تدويرها ، أجسام الأرز ، قصب السكر قصب السكر ، رقائق الخشب ، والتبديل ، وثاني أكسيد الكربون.