Ethanol Kraftstoff

Ethanol Kraftstoff ist Ethylalkohol, die gleiche Art von Alkohol in alkoholischen Getränken, als Kraftstoff verwendet. Es wird am häufigsten als Kraftstoff verwendet, vor allem als Biokraftstoffzusatz für Benzin. Das erste Serienauto, das komplett mit Ethanol betrieben wurde, war der Fiat 147, der 1978 in Brasilien von Fiat eingeführt wurde. Ethanol wird üblicherweise aus Biomasse wie Mais oder Zuckerrohr hergestellt. Die weltweite Ethanolproduktion für Transportkraftstoff verdreifachte sich zwischen 2000 und 2007 von 17 × 109 Litern (4,5 × 109 US Gallonen; 3,7 × 109 Gallonen) auf mehr als 52 × 109 Liter (1,4 × 1010 US Gallonen; 1,1 × 1010 Gallonen). Von 2007 bis 2008 stieg der Anteil von Ethanol am globalen Benzinkraftstoffverbrauch von 3,7% auf 5,4%. Im Jahr 2011 erreichte die weltweite Produktion von Ethanolkraftstoff 8,46 × 1010 Liter (2,23 × 1010 US-Gallonen; 1,86 × 1010 Gallonen), wobei die Vereinigten Staaten von Amerika und Brasilien mit 62,2% bzw. 25% der weltweiten Produktion die Spitzenproduzenten waren. Die Ethanolproduktion in den USA erreichte 57,54 × 109 Liter (1,520 × 1010 US-Gallonen; 1,266 × 1010 Gallonen) in 2017-04.

Ethanol-Kraftstoff hat einen “Benzin-Gallonen-Äquivalenz” (GGE) -Wert von 1,5, dh um die Energie von 1 Volumen Benzin zu ersetzen, wird das 1,5-fache des Volumens von Ethanol benötigt.

Ethanol-gemischter Kraftstoff wird in Brasilien, den Vereinigten Staaten und Europa häufig verwendet (siehe auch Ethanolkraftstoff nach Ländern). Die meisten Autos, die heute in den USA unterwegs sind, können mit Mischungen aus bis zu 10% Ethanol betrieben werden, und Ethanol repräsentiert 10% der US-Benzinkraftstoffversorgung, die 2011 aus heimischen Quellen stammt. Darüber hinaus sind viele Autos heute flexible Kraftstofffahrzeuge Verwenden Sie 100% Ethanol Kraftstoff.

Seit 1976 hat die brasilianische Regierung die Vermengung von Ethanol mit Benzin vorgeschrieben, und seit 2007 besteht die legale Mischung aus 25% Ethanol und 75% Benzin (E25). Bis Dezember 2011 verfügte Brasilien über eine Flotte von 14,8 Millionen Flex-Fuel-Autos und Leicht-Lkw sowie 1,5 Millionen Flex-Fuel-Motorrädern, die regelmäßig Ethanol-Kraftstoff (bekannt als E100) verwenden.

Bioethanol ist eine Form der erneuerbaren Energie, die aus landwirtschaftlichen Rohstoffen hergestellt werden kann. Es kann aus sehr üblichen Kulturen wie Hanf, Zuckerrohr, Kartoffeln, Maniok und Mais hergestellt werden. Über die Nützlichkeit von Bioethanol als Ersatz für Benzin ist viel diskutiert worden. Bedenken hinsichtlich seiner Produktion und Verwendung bestehen im Zusammenhang mit erhöhten Nahrungsmittelpreisen aufgrund der großen Menge an Ackerland, die für Nutzpflanzen benötigt wird, sowie der Energie- und Schadstoffbilanz des gesamten Zyklus der Ethanolproduktion, insbesondere aus Mais. Jüngste Entwicklungen bei der Herstellung und Vermarktung von Zelluloseethanol können einige dieser Bedenken zerstreuen.

Zellulose-Ethanol ist vielversprechend, da Zellulosefasern, eine wichtige und universelle Komponente in Pflanzenzellwänden, zur Herstellung von Ethanol verwendet werden können. Laut der Internationalen Energieagentur könnte Ethanol aus Zellulose Ethanol eine viel größere Rolle in der Zukunft spielen lassen.

Chemie
Während der Ethanol-Fermentation werden Glukose und andere Zucker im Mais (oder Zuckerrohr oder anderen Feldfrüchten) in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt.

6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + Wärme
Ethanol-Fermentation ist mit Nebenprodukten wie Essigsäure und Glycolen nicht zu 100% selektiv.Sie werden meistens während der Ethanolreinigung entfernt. Die Fermentation findet in einer wässrigen Lösung statt. Die resultierende Lösung hat einen Ethanolgehalt von etwa 15%. Ethanol wird anschließend durch eine Kombination von Adsorption und Destillation isoliert und gereinigt.

Während der Verbrennung reagiert Ethanol mit Sauerstoff unter Bildung von Kohlendioxid, Wasser und Wärme:

2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O + Wärme
Stärke- und Zellulosemoleküle sind Ketten von Glukosemolekülen. Es ist auch möglich, Ethanol aus Cellulosematerialien zu erzeugen. Dies erfordert jedoch eine Vorbehandlung, die die Cellulose in Glucosemoleküle und andere Zucker spaltet, die anschließend fermentiert werden können. Das resultierende Produkt wird Zellulose-Ethanol genannt und zeigt seine Quelle an.

Ethanol wird auch industriell aus Ethylen durch Hydratisierung der Doppelbindung in Gegenwart eines Katalysators und hoher Temperatur hergestellt.

2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH
Das meiste Ethanol wird durch Fermentation produziert.

Quellen
Etwa 5% des im Jahr 2003 weltweit produzierten Ethanols war tatsächlich ein Erdölprodukt. Es wird durch katalytische Hydratation von Ethylen mit Schwefelsäure als Katalysator hergestellt. Es kann auch über Ethylen oder Acetylen, aus Calciumcarbid, Kohle, Ölgas und anderen Quellen erhalten werden. Zwei Millionen Kurztonnen (1.786.000 Tonnen, 1.814.000 Tonnen) aus Erdöl gewonnenem Ethanol werden jährlich produziert. Die Hauptlieferanten sind Werke in den Vereinigten Staaten, Europa und Südafrika. Ethanol aus Erdöl (synthetisches Ethanol) ist chemisch identisch mit Bioethanol und kann nur durch Radiokarbon-Datierungen unterschieden werden.

Bioethanol wird üblicherweise aus der Umwandlung von Ausgangsstoffen auf Kohlenstoffbasis erhalten. Landwirtschaftliche Rohstoffe gelten als erneuerbar, weil sie durch Photosynthese Energie aus der Sonne beziehen, vorausgesetzt, dass alle für das Wachstum notwendigen Mineralien (wie Stickstoff und Phosphor) in das Land zurückgeleitet werden. Ethanol kann aus einer Vielzahl von Ausgangsmaterialien wie Zuckerrohr, Bagasse, Miscanthus, Zuckerrübe, Sorghum, Getreide, Rutenhirse, Gerste, Hanf, Kenaf, Kartoffeln, Süßkartoffeln, Maniok, Sonnenblumen, Früchten, Melasse, Mais, Stengel, Getreide, Weizen, Stroh, Baumwolle, andere Biomasse sowie viele Arten von Zelluloseabfällen und -ernte, je nachdem, was die beste Bewertung von Well-to-Wheel betrifft.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung von Bioethanol aus Algen wird von der Firma Algenol entwickelt. Anstatt Algen wachsen zu lassen und sie dann zu ernten und zu gären, wachsen die Algen im Sonnenlicht und produzieren direkt Ethanol, das entfernt wird, ohne die Algen zu töten. Es wird behauptet, dass das Verfahren 6.000 US-Gallonen pro Morgen (5.000 britische Gallonen pro Morgen; 56.000 Liter pro Hektar) pro Jahr im Vergleich zu 400 US-Gallonen pro Morgen (330 Gallonen pro Morgen; 3.700 l / ha) für die Maisproduktion erzeugen kann.

Gegenwärtig nutzen die Verfahren der ersten Generation zur Herstellung von Ethanol aus Mais nur einen kleinen Teil der Maispflanze: Die Maiskörner werden von der Maispflanze genommen und nur die Stärke, die etwa 50% der trockenen Kernmasse darstellt, wird umgewandelt in Ethanol. Zwei Arten von Prozessen der zweiten Generation sind in Entwicklung. Der erste Typ verwendet Enzyme und Hefefermentation, um die Pflanzencellulose in Ethanol umzuwandeln, während der zweite Typ Pyrolyse verwendet, um die gesamte Pflanze in entweder ein flüssiges Bioöl oder ein Synthesegas umzuwandeln. Prozesse der zweiten Generation können auch mit Pflanzen wie Gräsern, Holz oder landwirtschaftlichen Abfallstoffen wie Stroh verwendet werden.

Produktion
Obwohl es verschiedene Möglichkeiten gibt Ethanolkraftstoff zu produzieren, ist die gebräuchlichste Art die Fermentation.

Die grundlegenden Schritte für die Herstellung von Ethanol in großem Maßstab sind: mikrobielle (Hefe-) Fermentation von Zuckern, Destillation, Dehydration (Anforderungen variieren, siehe Ethanol-Brennstoffmischungen, unten) und Denaturierung (optional). Vor der Fermentation erfordern einige Kulturpflanzen die Verzuckerung oder Hydrolyse von Kohlenhydraten wie Cellulose und Stärke zu Zuckern. Die Verzuckerung von Zellulose wird Zellulolyse genannt (siehe Zellulose-Ethanol). Enzyme werden verwendet, um Stärke in Zucker umzuwandeln.

Fermentation
Ethanol wird durch mikrobielle Fermentation des Zuckers hergestellt. Die mikrobielle Fermentation funktioniert derzeit nur direkt mit Zuckern. Zwei Hauptbestandteile von Pflanzen, Stärke und Zellulose, bestehen beide aus Zucker – und können im Prinzip in Zucker für die Fermentation umgewandelt werden. Gegenwärtig können nur die Zucker- (z. B. Zuckerrohr-) und Stärke- (z. B. Mais-) Portionen wirtschaftlich umgewandelt werden. Es gibt viel Aktivität auf dem Gebiet des Zelluloseethanols, wo der Zelluloseteil einer Pflanze in Zucker zerlegt und anschließend in Ethanol umgewandelt wird.

Destillation
Damit das Ethanol als Brennstoff verwendet werden kann, müssen die Hefefeststoffe und der Großteil des Wassers entfernt werden. Nach der Gärung wird die Maische erhitzt, so dass das Ethanol verdampft. Dieses Verfahren, bekannt als Destillation, trennt das Ethanol, aber seine Reinheit ist aufgrund der Bildung eines niedrigsiedenden Wasser-Ethanol-Azeotrops mit maximal (95,6% m / m (96,5% v / v) Ethanol) auf 95 bis 96% begrenzt und 4,4% m / m (3,5% v / v) Wasser).Diese Mischung wird wasserhaltiges Ethanol genannt und kann allein als Brennstoff verwendet werden, aber im Gegensatz zu wasserfreiem Ethanol ist wasserhaltiges Ethanol nicht in allen Verhältnissen mit Benzin mischbar, so dass die Wasserfraktion typischerweise in einer weiteren Behandlung entfernt wird, um in Benzinmotoren in Kombination mit Benzin zu brennen .

Austrocknung
Es gibt drei Dehydratisierungsverfahren, um das Wasser aus einem azeotropen Ethanol / Wasser-Gemisch zu entfernen. Das erste Verfahren, das in vielen frühen Brennstoffethanolanlagen verwendet wird, wird azeotrope Destillation genannt und besteht aus der Zugabe von Benzol oder Cyclohexan zu der Mischung. Wenn diese Komponenten zu dem Gemisch gegeben werden, bildet es ein heterogenes azeotropes Gemisch in einem Dampf-Flüssig-Flüssig-Gleichgewicht, welches bei der Destillation wasserfreies Ethanol im Kolonnensumpf und ein Dampfgemisch aus Wasser, Ethanol und Cyclohexan / Benzol erzeugt.

Wenn es kondensiert wird, wird dies eine zweiphasige flüssige Mischung. Die schwerere Phase, die in dem Schleppmittel (Benzol oder Cyclohexan) schlecht ist, wird von dem Schleppmittel abgezogen und zu der Beschickung zurückgeführt, während die leichtere Phase mit dem Kondensat von der Strippung in die zweite Kolonne zurückgeführt wird. Eine andere frühe Methode, Extraktivdestillation genannt, besteht darin, eine ternäre Komponente hinzuzufügen, die die relative Flüchtigkeit von Ethanol erhöht. Wenn das ternäre Gemisch destilliert wird, erzeugt es wasserfreies Ethanol am Kopfstrom der Kolonne.

Mit zunehmender Aufmerksamkeit, Energie zu sparen, wurden viele Methoden vorgeschlagen, die eine vollständige Destillation zur Dehydratisierung vermeiden. Von diesen Methoden ist eine dritte Methode aufgetaucht, die von den meisten modernen Ethanolanlagen übernommen wurde. Dieses neue Verfahren verwendet Molekularsiebe, um Wasser aus Ethanoltreibstoff zu entfernen. Bei diesem Verfahren wird unter Druck stehender Ethanoldampf durch ein Bett aus Molekularsiebperlen geleitet. Die Poren der Kügelchen sind so bemessen, dass eine Adsorption von Wasser unter Ausschluss von Ethanol möglich ist. Nach einer gewissen Zeit wird das Bett unter Vakuum oder im Strom einer inerten Atmosphäre (z. B. N2) regeneriert, um das adsorbierte Wasser zu entfernen.Zwei Betten werden oft verwendet, so dass eines verfügbar ist, um Wasser zu adsorbieren, während das andere regeneriert wird. Diese Entwässerungstechnologie kann eine Energieeinsparung von 840 kJ / l (3000 bt / Gallone) im Vergleich zur früheren azeotropen Destillation berücksichtigen.

Neuere Forschungen haben gezeigt, dass eine vollständige Dehydratisierung vor dem Mischen mit Benzin nicht immer notwendig ist. Stattdessen kann das azeotrope Gemisch direkt mit Benzin gemischt werden, so dass das Flüssig-Flüssig-Phasengleichgewicht bei der Eliminierung von Wasser helfen kann. Ein zweistufiger Gegenstromaufbau von Mischer-Absetztanks kann eine vollständige Rückgewinnung von Ethanol in die Brennstoffphase bei minimalem Energieverbrauch erreichen.

Wasserprobleme nach der Produktion
Ethanol ist hygroskopisch, dh es absorbiert Wasserdampf direkt aus der Atmosphäre. Da absorbiertes Wasser den Kraftstoffwert des Ethanols verdünnt und eine Phasentrennung von Ethanol-Benzin-Gemischen verursachen kann (was zu einem Abwürgen des Motors führt), müssen Behälter mit Ethanolkraftstoffen dicht verschlossen bleiben. Diese hohe Mischbarkeit mit Wasser bedeutet, dass Ethanol nicht effizient durch moderne Pipelines wie flüssige Kohlenwasserstoffe über lange Strecken transportiert werden kann.

Der Anteil an Wasser, den ein Ethanol-Benzin-Kraftstoff ohne Phasentrennung enthalten kann, steigt mit dem Anteil an Ethanol. Zum Beispiel kann E30 bis zu etwa 2% Wasser enthalten. Wenn es mehr als etwa 71% Ethanol gibt, kann der Rest ein beliebiger Anteil an Wasser oder Benzin sein und es tritt keine Phasentrennung auf. Der Kraftstoffverbrauch sinkt mit steigendem Wassergehalt. Die erhöhte Löslichkeit von Wasser mit höherem Ethanolgehalt erlaubt es, E30 und hydratisiertes Ethanol in denselben Tank zu geben, da jede Kombination von ihnen immer zu einer einzigen Phase führt. Etwas weniger Wasser wird bei niedrigeren Temperaturen toleriert. Für E10 beträgt es etwa 0,5% V / V bei 21ºC und sinkt auf etwa 0,23% V / V bei -34ºC.

Produktionssysteme für Verbraucher
Während Biodiesel-Produktionssysteme seit vielen Jahren an Heim- und Geschäftsanwender vertrieben werden, sind kommerzielle Ethanol-Produktionssysteme, die für den Endverbraucher entwickelt wurden, auf dem Markt zurückgeblieben. Im Jahr 2008 kündigten zwei verschiedene Unternehmen Ethanolanlagen in Eigenproduktion an. Das Advanced Fuel System AFS125 von Allard Research and Development ist in der Lage, sowohl Ethanol als auch Biodiesel in einer Maschine zu produzieren, während der E-100 MicroFueler von E-Fuel Corporation ausschließlich für Ethanol bestimmt ist.

Motoren

Kraftstoffverbrauch
Ethanol enthält ca. 34% weniger Energie pro Volumeneinheit als Benzin, und deshalb reduziert das Verbrennen von reinem Ethanol in einem Fahrzeug theoretisch bei gleicher Kraftstoffökonomie die Kilometer pro US-Gallone 34% im Vergleich zum Verbrennen von reinem Benzin. Da Ethanol jedoch eine höhere Oktanzahl aufweist, kann der Motor durch Erhöhen seines Verdichtungsverhältnisses effizienter gemacht werden. Unter Verwendung eines Turboladers mit variabler Geometrie oder eines Twin-Scroll-Turboladers kann das Verdichtungsverhältnis für den Kraftstoff optimiert werden, wodurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit für jede Mischung nahezu konstant gehalten wird.

Für E10 (10% Ethanol und 90% Benzin) ist der Effekt im Vergleich zu herkömmlichem Benzin klein (~ 3%) und sogar kleiner (1-2%) im Vergleich zu sauerstoffhaltigen und neu formulierten Mischungen. Bei E85 (85% Ethanol) wird der Effekt signifikant. E85 produziert weniger Kilometer als Benzin und erfordert häufigeres Auftanken. Die tatsächliche Leistung kann je nach Fahrzeug variieren. Auf der Grundlage von EPA-Tests für alle E85-Modelle von 2006 lag der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch für E85-Fahrzeuge 25,56% unter dem von bleifreiem Benzin. Die EPA-Meilenzahl aktueller US-Flex-Fuel-Fahrzeuge sollte bei Preisvergleichen berücksichtigt werden, aber E85 ist ein Hochleistungskraftstoff mit einer Oktanzahl von etwa 94-96 und sollte mit Premium verglichen werden.

Kaltstart im Winter
Mischungen mit hohem Ethanolgehalt stellen ein Problem dar, um einen ausreichenden Dampfdruck zu erreichen, damit der Kraftstoff bei kaltem Wetter verdampft und die Zündung entzündet (da Ethanol dazu neigt, die Kraftstoffenthalpie der Verdampfung zu erhöhen). Wenn der Dampfdruck unter 45 kPa liegt, wird der Start eines kalten Motors schwierig. Um dieses Problem bei Temperaturen unter 11 ° C (52 ° F) zu vermeiden und um höhere Emissionen bei kaltem Wetter zu reduzieren, haben sowohl der US-amerikanische als auch der europäische Markt E85 als maximale Mischung in ihren flexiblen Kraftstofffahrzeugen verwendet sind optimiert, um bei einer solchen Mischung zu laufen. An Orten mit rauem, kaltem Wetter hat die Ethanolmischung in den USA eine saisonale Reduktion auf E70 für diese sehr kalten Regionen, obwohl sie immer noch als E85 verkauft wird. An Orten, an denen im Winter Temperaturen unter -12 ° C herrschen, wird die Installation eines Motorheizsystems für Benzin- und E85-Fahrzeuge empfohlen. Schweden hat eine ähnliche saisonale Verringerung, aber der Ethanolgehalt in der Mischung wird in den Wintermonaten auf E75 reduziert.

Brasilianische Flex-Fuel-Fahrzeuge können mit Ethanolgemischen bis zu E100 betrieben werden, bei dem es sich um wasserhaltiges Ethanol (mit bis zu 4% Wasser) handelt, wodurch der Dampfdruck schneller fällt als bei E85-Fahrzeugen. Infolgedessen werden brasilianische Flexfahrzeuge mit einem kleinen sekundären Benzintank in der Nähe des Motors gebaut. Während eines Kaltstarts wird reines Benzin eingespritzt, um Startprobleme bei niedrigen Temperaturen zu vermeiden. Diese Bestimmung ist besonders für die Nutzer der südlichen und zentralen Regionen Brasiliens erforderlich, in denen die Temperaturen im Winter normalerweise unter 15 ° C fallen. Im Jahr 2009 wurde eine verbesserte Flex-Motorengeneration auf den Markt gebracht, bei der kein Sekundärgasspeicher mehr benötigt wird. Im März 2009 brachte Volkswagen do Brasil den Polo E-Flex auf den Markt, das erste brasilianische Flex-Fuel-Modell ohne Zusatztank für den Kaltstart.

Kraftstoffgemische
In vielen Ländern sind Autos dazu verpflichtet, mit Gemischen aus Ethanol zu fahren. Alle brasilianischen leichten Nutzfahrzeuge sind für den Betrieb mit einer Ethanolmischung von bis zu 25% (E25) ausgelegt, und seit 1993 verlangt ein Bundesgesetz Mischungen zwischen 22% und 25% Ethanol, wobei ab Mitte Juli 2011 25% erforderlich sind In den Vereinigten Staaten sind alle leichten Nutzfahrzeuge so gebaut, dass sie normalerweise mit einer Ethanolmischung von 10% (E10) arbeiten. Ende 2010 wurden über 90 Prozent des gesamten in den USA verkauften Benzins mit Ethanol gemischt. Im Januar 2011 erließ die US-amerikanische Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency – EPA) einen Verzicht auf die Zulassung von bis zu 15% Ethanol in Mischung mit Benzin (E15), das nur für Autos und leichte Pickups mit einem Modelljahr 2001 oder neuer verkauft wird.

Ab dem Modelljahr 1999 werden weltweit immer mehr Fahrzeuge mit Motoren gebaut, die ohne jeglichen Umbau von 0% Ethanol bis zu 100% Ethanol betrieben werden können. Viele Autos und leichte Lastkraftwagen (eine Klasse mit Minivans, SUVs und Pickup-Trucks) sind als flexible Kraftstofffahrzeuge konzipiert, die in Nordamerika und Europa bis zu 85% Ethanol (E85) und in Brasilien bis zu 100% (E100) verwenden . In älteren Modelljahren enthielten ihre Motorsysteme Alkoholsensoren in den Kraftstoff- und / oder Sauerstoffsensoren in dem Abgas, die dem Motorsteuercomputer eine Eingabe zuführen, um die Kraftstoffeinspritzung einzustellen, um eine stöchiometrische (kein Restbrennstoff oder freier Sauerstoff in dem Abgas) Luft zu erreichen Kraftstoffverhältnis für jede Kraftstoffmischung. In neueren Modellen wurden die Alkoholsensoren entfernt, wobei der Computer nur Sauerstoff- und Luftstromsensor-Feedback verwendet, um den Alkoholgehalt zu schätzen. Der Motorsteuercomputer kann auch den Zündzeitpunkt einstellen (vorantreiben), um eine höhere Ausgangsleistung ohne Vorzündung zu erreichen, wenn er vorhersagt, dass höhere Alkoholanteile in dem zu verbrennenden Kraftstoff vorhanden sind. Diese Methode wird durch fortschrittliche Klopfsensoren unterstützt – die in den meisten Benzinmotoren mit hoher Leistung verwendet werden, unabhängig davon, ob sie Ethanol verwenden oder nicht -, die eine Vorzündung und Detonation erkennen.

Andere Motorkonfigurationen

ED95-Motoren
Seit 1989 gibt es auch Ethanolmotoren nach dem in Schweden geltenden Dieselprinzip. Sie werden hauptsächlich in Stadtbussen, aber auch in Verteilerfahrzeugen und Müllsammlern eingesetzt. Die von Scania hergestellten Motoren haben ein modifiziertes Kompressionsverhältnis, und der verwendete Kraftstoff (als ED95 bekannt) ist eine Mischung aus 93,6% Ethanol und 3,6% Zündungsverbesserer und 2,8% Denaturierungsmitteln. Der Zündverbesserer ermöglicht eine Zündung des Kraftstoffs im Diesel-Verbrennungszyklus. Es ist dann auch möglich, die Energieeffizienz des Dieselprinzips mit Ethanol zu nutzen. Diese Motoren wurden im Vereinigten Königreich von Reading Buses verwendet, aber die Verwendung von Bioethanol-Kraftstoff wird nun eingestellt.

Zweistoff-Direkteinspritzung
Eine MIT-Studie aus dem Jahr 2004 und eine frühere Veröffentlichung der Society of Automotive Engineers identifizierten eine Methode, um die Eigenschaften von Kraftstoffethanol wesentlich effizienter zu nutzen als mit Benzin zu mischen. Die Methode bietet die Möglichkeit, den Einsatz von Alkohol zu nutzen, um eine deutliche Verbesserung gegenüber der Kosteneffektivität von Hybridelektrik zu erreichen. Die Verbesserung besteht in der Verwendung einer Zweistoff-Direkteinspritzung von reinem Alkohol (oder dem Azeotrop oder E85) und Benzin in jedem Verhältnis bis zu 100% von beiden in einem turboaufgeladenen Motor mit kleinem Verdrängungsvolumen und hohem Verdichtungsverhältnis, der eine ähnliche Leistung aufweist zu einem Motor mit der doppelten Verdrängung. Jeder Treibstoff wird separat transportiert, mit einem viel kleineren Tank für Alkohol. Der Motor mit hoher Verdichtung (für höhere Effizienz) läuft mit gewöhnlichem Benzin unter Reisebedingungen mit niedriger Leistung. Alkohol wird nur dann direkt in die Zylinder eingespritzt (und die Benzineinspritzung wird gleichzeitig reduziert), wenn dies notwendig ist, um ein “Klopfen” zu unterdrücken, wie beispielsweise bei einer signifikanten Beschleunigung. Die direkte Zylindereinspritzung erhöht die bereits hohe Oktanzahl von Ethanol auf bis zu 130. Die berechnete Gesamtreduzierung von Benzinverbrauch und CO2-Ausstoß beträgt 30%. Die Amortisationszeit der Verbraucherkosten zeigt eine Verbesserung von 4: 1 gegenüber Turbo-Diesel und eine Verbesserung von 5: 1 gegenüber Hybrid. Die Probleme der Wasserabsorption in vorgemischtem Benzin (die eine Phasentrennung verursacht), Probleme mit der Zufuhr von mehreren Mischungsverhältnissen und das Starten bei kaltem Wetter werden ebenfalls vermieden.

Erhöhte thermische Effizienz
In einer Studie aus dem Jahr 2008 ermöglichten komplexe Motorsteuerungen und eine erhöhte Abgasrückführung ein Kompressionsverhältnis von 19,5 bei Kraftstoffen von reinem Ethanol bis zu E50. Der thermische Wirkungsgrad wurde bis etwa zu dem eines Diesels erreicht. Dies würde dazu führen, dass die Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines reinen Ethanol-Fahrzeugs in etwa der eines verbrennenden Benzins entspricht.

Brennstoffzellen, die von einem Ethanolreformer angetrieben werden
Im Juni 2016 kündigte Nissan Pläne an, Brennstoffzellenfahrzeuge zu entwickeln, die mit Ethanol anstelle von Wasserstoff betrieben werden, dem Kraftstoff der Wahl von anderen Automobilherstellern, die Brennstoffzellenfahrzeuge wie den Hyundai Tucson FCEV, Toyota Mirai und Honda FCX entwickelt und kommerzialisiert haben Klarheit. Der Hauptvorteil dieses technischen Ansatzes besteht darin, dass es billiger und einfacher wäre, die Infrastruktur für die Betankung zu nutzen, als die für die Bereitstellung von Wasserstoff bei hohen Drücken zu schaffen, da jede Wasserstofftankstelle US $ 1 Million bis US $ 2 Millionen kostet.

Umgebung

Energieausgleich
Die gesamte Biomasse durchläuft mindestens einige dieser Schritte: Sie muss angebaut, gesammelt, getrocknet, fermentiert, destilliert und verbrannt werden. Alle diese Schritte erfordern Ressourcen und eine Infrastruktur. Die Gesamtmenge des Energieeintrags in den Prozess im Vergleich zu der Energie, die durch das Verbrennen des resultierenden Ethanol-Brennstoffs freigesetzt wird, wird als die Energiebilanz (oder “Energie, die von der investierten Energie zurückgegeben wird”) bezeichnet. Die Zahlen, die in einem Bericht des National Geographic Magazine aus dem Jahr 2007 zusammengestellt wurden, deuten auf bescheidene Ergebnisse für in den USA hergestelltes Maisethanol hin: Eine Einheit fossiler Energie ist erforderlich, um aus dem resultierenden Ethanol 1,3 Energieeinheiten zu erzeugen. Die Energiebilanz für Zuckerrohr-Ethanol, die in Brasilien produziert wird, ist günstiger, da eine Einheit fossile Energie benötigt wird, um aus Ethanol 8 zu gewinnen. Energiebilanzschätzungen sind nicht einfach herzustellen, daher wurden zahlreiche solche Berichte erzeugt, die widersprüchlich sind. Zum Beispiel berichtet eine separate Studie, dass die Produktion von Ethanol aus Zuckerrohr, das ein tropisches Klima benötigt, um produktiv zu wachsen, von 8 auf 9 Einheiten Energie für jede verbrauchte Einheit zurückgeht, verglichen mit Mais, der nur etwa 1,34 Einheiten Brennstoffenergie zurückgibt für jede verbrauchte Energieeinheit. Eine Studie der University of California Berkeley aus dem Jahr 2006 kam nach Analyse von sechs separaten Studien zu dem Schluss, dass die Produktion von Ethanol aus Mais viel weniger Erdöl verbraucht als die Produktion von Benzin.

Kohlendioxid, ein Treibhausgas, wird während der Gärung und Verbrennung freigesetzt. Dies wird durch die größere Aufnahme von Kohlendioxid durch die Pflanzen aufgehoben, wenn diese zur Produktion der Biomasse wachsen. Im Vergleich zu Benzin setzt Ethanol je nach Produktionsweise weniger Treibhausgase frei.

Luftverschmutzung
Im Vergleich zu herkömmlichem bleifreiem Benzin ist Ethanol eine partikelfreie brennende Kraftstoffquelle, die mit Sauerstoff zu Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser und Aldehyden verbrennt. Das Clean Air Act verlangt die Zugabe von Oxygenaten zur Verringerung der Kohlenmonoxidemissionen in den Vereinigten Staaten. Das Additiv MTBE wird derzeit wegen Grundwasserverunreinigung auslaufen, daher wird Ethanol ein attraktiver alternativer Zusatzstoff. Zu den aktuellen Produktionsmethoden gehört die Luftverschmutzung durch den Hersteller von Makronährstoffdüngern wie Ammoniak.

Eine Studie von Atmosphärenwissenschaftlern an der Stanford University fand heraus, dass E85-Treibstoff das Risiko von Luftverschmutzungssterben im Vergleich zu Benzin um 9% in Los Angeles, USA, erhöhen würde: eine sehr große urbane Auto-Metropole, die ein Worst-Case-Szenario darstellt. Die Ozonwerte werden signifikant erhöht, wodurch der photochemische Smog erhöht und medizinische Probleme wie Asthma verschärft werden.

Kohlendioxid

Die Berechnung, wie viel Kohlendioxid bei der Herstellung von Bioethanol produziert wird, ist ein komplexer und ungenauer Prozess und hängt stark von der Herstellungsmethode des Ethanols und den in der Berechnung zugrunde gelegten Annahmen ab. Eine Berechnung sollte beinhalten:

Die Kosten für den Anbau des Ausgangsmaterials
Die Kosten für den Transport des Ausgangsmaterials zur Fabrik
Die Kosten für die Verarbeitung des Ausgangsmaterials zu Bioethanol

Eine solche Berechnung kann folgende Auswirkungen haben oder auch nicht:

Die Kosten für die Änderung der Landnutzung in dem Gebiet, in dem das Brennstoffrohmaterial angebaut wird.
Die Kosten für den Transport des Bioethanols von der Fabrik zum Verwendungsort
Die Effizienz des Bioethanols gegenüber Standardbenzin
Die Menge an Kohlendioxid, die am Endrohr entsteht.
Der Nutzen durch die Produktion von nützlichen Nebenprodukten wie Viehfutter oder Strom.

Das nebenstehende Diagramm zeigt die von der britischen Regierung für die Zwecke der Verpflichtung zu erneuerbaren Kraftstoffen berechneten Werte.

Eine zusätzliche Komplikation besteht darin, dass die Produktion die Bebauung von neuem Boden erfordert, der eine einmalige Freisetzung von Treibhausgasen bewirkt, für die es Jahrzehnte oder Jahrhunderte dauern kann, bis die Produktion von THG-Emissionen ausgeglichen wird.Beispielsweise erfordert die Umwandlung von Grasland in die Maisproduktion für Ethanol etwa ein Jahrhundert an jährlichen Einsparungen, um die Treibhausgasemissionen auszugleichen, die bei der ersten Bewirtschaftung freigesetzt wurden.

Änderung der Landnutzung
Für die Produktion von landwirtschaftlichem Alkohol ist eine großflächige Landwirtschaft erforderlich, und dies erfordert erhebliche Mengen an Anbauflächen. Forscher der University of Minnesota berichten, dass, wenn der gesamte in den USA angebaute Mais für die Herstellung von Ethanol verwendet würde, er 12% des derzeitigen US-Benzinverbrauchs verdrängen würde. Es wird behauptet, dass Flächen für die Ethanolproduktion durch Entwaldung gewonnen werden, während andere beobachtet haben, dass Gebiete, die derzeit Wälder unterstützen, in der Regel nicht für den Anbau von Nutzpflanzen geeignet sind. In jedem Fall kann die Landwirtschaft einen Rückgang der Bodenfruchtbarkeit aufgrund der Verringerung der organischen Substanz, eine Abnahme der Wasserverfügbarkeit und -qualität, eine Zunahme des Einsatzes von Pestiziden und Düngemitteln und eine mögliche Verlagerung lokaler Gemeinschaften mit sich bringen. Neue Technologien ermöglichen es Landwirten und Verarbeitern, mit weniger Inputs die gleiche Produktion zu produzieren.

Die Produktion von Zelluloseethanol ist ein neuer Ansatz, der Landnutzung und damit zusammenhängende Bedenken lindern kann. Zellulose-Ethanol kann aus jedem Pflanzenmaterial hergestellt werden, was potentiell die Erträge verdoppelt, um den Konflikt zwischen den Nahrungsbedürfnissen und dem Brennstoffbedarf zu minimieren. Anstatt nur die Stärke-Nebenprodukte aus dem Mahlen von Weizen und anderen Feldfrüchten zu verwenden, maximiert die Herstellung von Zellulose-Ethanol die Verwendung aller Pflanzenmaterialien, einschließlich Gluten. Dieser Ansatz hätte einen geringeren CO2-Fußabdruck, da die Menge an energieintensiven Düngemitteln und Fungiziden für eine höhere Produktion von verwertbarem Material gleich bleibt.Die Technologie zur Herstellung von Celluloseethanol befindet sich derzeit in der Vermarktungsphase.

Verwendung von Biomasse anstelle von Ethanol als Strom
Die Umwandlung von Biomasse in Elektrizität zum Laden von Elektrofahrzeugen könnte eine “klimafreundlichere” Transportmöglichkeit darstellen als die Verwendung von Biomasse zur Herstellung von Ethanolkraftstoff. Dies geht aus einer im Mai 2009 veröffentlichten Studie hervor. Die Forscher suchen weiterhin nach kostengünstigeren Entwicklungen für Zellulose Ethanol und fortschrittliche Fahrzeugbatterien.

Gesundheitskosten von Ethanolemissionen
Für jede Milliarde Ethanol-Äquivalent Gallonen Kraftstoff produziert und verbrannt in den USA, die kombinierten Kosten für Klimawandel und Gesundheit sind 469 Millionen für Benzin, $ 472 bis 952 Millionen für Mais Ethanol abhängig von Bioraffinerie Wärmequelle (Erdgas, Maisstroh oder Kohle) und Technologie, aber nur 123-208 Millionen für Zellulose-Ethanol in Abhängigkeit von Rohstoffen (Prärie-Biomasse, Miscanthus, Maisstroh oder Rutenhirse).

Effizienz der gemeinsamen Kulturen
Wenn Ethanolausbeuten verbessert werden oder verschiedene Ausgangsmaterialien eingeführt werden, kann die Ethanolproduktion in den USA wirtschaftlicher werden. Gegenwärtig laufen Untersuchungen zur Verbesserung der Ethanolausbeuten aus jeder Maiseinheit unter Verwendung der Biotechnologie. Solange die Ölpreise hoch bleiben, wird auch die wirtschaftliche Verwendung anderer Rohstoffe wie Zellulose möglich. Nebenprodukte wie Stroh oder Holzspäne können in Ethanol umgewandelt werden. Schnellwüchsige Arten wie Rutenhirse können auf Flächen angebaut werden, die für andere Nutzpflanzen nicht geeignet sind und hohe Ethanolanteile pro Flächeneinheit ergeben.

Ernte Jahresertrag (Liter / Hektar, US Gallone / Acre) Treibhausgaseinsparungen
gegen Benzin [a]
Bemerkungen
Zuckerrohr 6800-8000 l / ha,
727-870 g / Morgen
87% -96% Langjähriges jährliches Gras. Wird als Rohstoff für den Großteil des in Brasilien hergestellten Bioethanols verwendet. Neuere Verarbeitungsanlagen verbrennen Rückstände, die nicht für Ethanol zur Stromerzeugung genutzt werden. Wächst nur in tropischen und subtropischen Klimazonen.
Miscanthus 7300 l / ha,
780 g / Morgen
37% -73% Niedrig-Input beständiges Gras. Die Ethanolproduktion hängt von der Entwicklung der Zellulosetechnologie ab.
Schaltgras 3100-7600 L / ha,
330-810 g / Morgen
37% -73% Niedrig-Input beständiges Gras. Die Ethanolproduktion hängt von der Entwicklung der Zellulosetechnologie ab. Züchtungsbemühungen im Gange, um die Erträge zu steigern. Höhere Biomasseproduktion möglich mit gemischten Arten von mehrjährigen Gräsern.
Pappel 3700-6000 L / ha,
400-640 g / Morgen
51% -100% Schnell wachsender Baum. Die Ethanolproduktion hängt von der Entwicklung der Zellulosetechnologie ab. Der Abschluss eines genomischen Sequenzierungsprojekts wird die Züchtungsbemühungen zur Ertragssteigerung unterstützen.
Süßsorghum 2500-7000 l / ha,
270-750 g / Morgen
Keine Daten Low-Input-Jahresgras. Ethanol-Produktion mit bestehender Technologie möglich. Wächst in tropischen und gemäßigten Klimazonen, aber die höchsten Ethanolausbeuten gehen von mehreren Pflanzen pro Jahr aus (nur in tropischen Klimazonen möglich). Speichert nicht gut.
Mais 3100-4000 L / ha,
330-424 g / Morgen
10% -20% High-Input-Jahresgras. Wird als Rohstoff für die meisten in den USA hergestellten Bioethanol verwendet. Nur Kerne können mit verfügbarer Technologie verarbeitet werden; Die Entwicklung kommerzieller Zellulosetechnologien würde die Verwendung von Stöbern ermöglichen und die Ethanolausbeute um 1.100 bis 2.000 Liter / ha erhöhen.
Quelle: Natur 444 (7. Dezember 2006): 673-676. 
– Einsparung von THG-Emissionen unter der Annahme, dass keine Landnutzungsänderung stattfindet (unter Verwendung bestehender Anbauflächen).

Reduzierte Erdölimporte und -kosten
Ein Grund für die extensive Ethanolproduktion in den USA ist ihr Nutzen für die Energiesicherheit, indem sie den Bedarf an einem im Ausland produzierten Öl auf heimische Energiequellen verlagert.Die Produktion von Ethanol erfordert erhebliche Energie, aber die derzeitige Produktion in den USA bezieht den Großteil dieser Energie aus Kohle, Erdgas und anderen Quellen statt aus Erdöl. Da 66% des in den USA verbrauchten Öls importiert werden, verglichen mit einem Nettoüberschuss von Kohle und nur 16% Erdgas (Zahlen von 2006), führt die Verdrängung von Ölbrennstoffen zu Ethanol zu einer Nettoverschiebung von ausländischen nach inländischen US-Dollar Energiequellen.

Laut einer Analyse der Iowa State University aus dem Jahr 2008 hat der Anstieg der Ethanolproduktion in den USA dazu geführt, dass die Benzinpreise im Einzelhandel um US $ 0,29 bis US $ 0,40 pro Gallone niedriger lagen, als dies sonst der Fall gewesen wäre.

Forschung
Die Ethanolforschung konzentriert sich auf alternative Quellen, neuartige Katalysatoren und Produktionsprozesse. INEOS produzierte Ethanol aus vegetativem Material und Holzabfällen. Das Bakterium E.coli, wenn es mit Kuhpansen-Genen und Enzymen gentechnisch verändert wird, kann Ethanol aus Maisstroh produzieren. Andere potenzielle Rohstoffe sind Siedlungsabfälle, Recyclingprodukte, Reisschalen, Zuckerrohr-Bagasse, Hackschnitzel, Rutenhirse und Kohlendioxid.