Carburante ad etanolo

Il carburante ad etanolo è l’alcol etilico, lo stesso tipo di alcol presente nelle bevande alcoliche, usato come combustibile. È più spesso usato come carburante per motori, principalmente come additivo per biocarburanti per la benzina. La prima auto di serie funzionante interamente in etanolo era la Fiat 147, introdotta nel 1978 in Brasile dalla Fiat. L’etanolo viene comunemente prodotto da biomassa come mais o canna da zucchero. La produzione mondiale di etanolo per il trasporto di carburante è triplicata tra il 2000 e il 2007 da 17 × 109 litri (4,5 × 109 US gal, 3,7 × 109 imp gal) a oltre 52 × 109 litri (1,4 × 1010 US gal, 1,1 × 1010 imp gal). Dal 2007 al 2008, la quota di etanolo nel consumo di carburante a benzina globale è aumentata dal 3,7% al 5,4%. Nel 2011 la produzione mondiale di carburante ad etanolo ha raggiunto 8,46 × 1010 litri (2,23 × 1010 US gal, 1,86 × 1010 imp gal) con gli Stati Uniti d’America e il Brasile come i principali produttori, rispettivamente con il 62,2% e il 25% della produzione globale. La produzione di etanolo negli Stati Uniti ha raggiunto 57,54 × 109 litri (1,520 × 1010 US gal, 1,266 × 1010 imp gal) nel 2017-04.

Il carburante a base di etanolo ha un valore di “equivalenza del gallone della benzina” (GGE) pari a 1,5, ossia per sostituire l’energia di 1 volume di benzina, è necessario 1,5 volte il volume di etanolo.

Il combustibile miscelato con etanolo è ampiamente utilizzato in Brasile, negli Stati Uniti e in Europa (vedere anche il carburante etanolo per paese). La maggior parte delle auto in circolazione oggi negli Stati Uniti può funzionare con miscele di etanolo al 10% e l’etanolo rappresenta il 10% dell’approvvigionamento di carburante a benzina statunitense derivante da fonti domestiche nel 2011. Inoltre, molte automobili oggi sono veicoli a carburante flessibile in grado di utilizzare carburante al 100% di etanolo.

Dal 1976 il governo brasiliano ha reso obbligatorio miscelare l’etanolo con la benzina, e dal 2007 la miscela legale è di circa il 25% di etanolo e il 75% di benzina (E25). A dicembre 2011, il Brasile disponeva di una flotta di 14,8 milioni di automobili flex-fuel e di camion leggeri e di 1,5 milioni di motociclette flex-fuel che utilizzano regolarmente carburante pulito all’etanolo (noto come E100).

Il bioetanolo è una forma di energia rinnovabile che può essere prodotta da materie prime agricole.Può essere fatto da colture molto comuni come canapa, canna da zucchero, patate, manioca e mais.C’è stato un ampio dibattito su quanto sia utile il bioetanolo nella sostituzione della benzina. Le preoccupazioni in merito alla produzione e all’uso si riferiscono all’aumento dei prezzi dei generi alimentari a causa della grande quantità di terra coltivabile necessaria per le colture, nonché del bilancio energetico e dell’inquinamento dell’intero ciclo di produzione di etanolo, in particolare dal mais. I recenti sviluppi con la produzione e la commercializzazione di etanolo cellulosico possono dissipare alcune di queste preoccupazioni.

L’etanolo cellulosico è promettente perché le fibre di cellulosa, un componente importante e universale delle pareti delle cellule vegetali, possono essere utilizzate per produrre etanolo. Secondo l’International Energy Agency, l’etanolo cellulosico potrebbe consentire ai carburanti di etanolo di svolgere un ruolo molto più importante in futuro.

Chimica
Durante la fermentazione con etanolo, il glucosio e altri zuccheri nel mais (o canna da zucchero o altre colture) vengono convertiti in etanolo e anidride carbonica.

6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + calore
La fermentazione con etanolo non è selettiva al 100% con prodotti collaterali come acido acetico e glicoli. Sono per lo più rimossi durante la purificazione dell’etanolo. La fermentazione avviene in una soluzione acquosa. La soluzione risultante ha un contenuto di etanolo di circa il 15%. L’etanolo viene successivamente isolato e purificato da una combinazione di adsorbimento e distillazione.

Durante la combustione, l’etanolo reagisce con l’ossigeno per produrre anidride carbonica, acqua e calore:

2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O + calore
Le molecole di amido e di cellulosa sono stringhe di molecole di glucosio. È anche possibile generare etanolo da materiali cellulosici. Ciò, tuttavia, richiede un pretrattamento che divide la cellulosa in molecole di glucosio e altri zuccheri che successivamente possono essere fermentati. Il prodotto risultante è chiamato etanolo cellulosico, che indica la sua fonte.

L’etanolo viene anche prodotto industrialmente dall’etilene per idratazione del doppio legame in presenza di un catalizzatore e di alta temperatura.

2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH
La maggior parte dell’etanolo è prodotta dalla fermentazione.

fonti
Circa il 5% dell’etanolo prodotto nel mondo nel 2003 era in realtà un prodotto petrolifero. È fatto dall’idratazione catalitica dell’etilene con acido solforico come catalizzatore. Può anche essere ottenuto tramite etilene o acetilene, da carburo di calcio, carbone, gasolio e altre fonti. Due milioni di tonnellate corte (1.786.000 tonnellate lunghe, 1.814.000 t) di etanolo derivato dal petrolio vengono prodotte ogni anno. I principali fornitori sono stabilimenti negli Stati Uniti, in Europa e in Sud Africa.L’etanolo derivato dal petrolio (etanolo sintetico) è chimicamente identico al bioetanolo e può essere differenziato solo dalla datazione al radiocarbonio.

Il bioetanolo è solitamente ottenuto dalla conversione di materie prime a base di carbonio. Le materie prime agricole sono considerate rinnovabili perché ricevono energia dal sole usando la fotosintesi, a condizione che tutti i minerali necessari per la crescita (come l’azoto e il fosforo) vengano restituiti alla terra. L’etanolo può essere prodotto da una varietà di materie prime come canna da zucchero, bagassa, miscanto, barbabietola da zucchero, sorgo, grano, panico vergine, orzo, canapa, kenaf, patate, patate dolci, manioca, girasole, frutta, melassa, mais, stover, grano, frumento, paglia, cotone, altre biomasse, così come molti tipi di rifiuti di cellulosa e raccolta, a seconda di quale sia la migliore valutazione well-to-wheel.

L’azienda Algenol sta sviluppando un processo alternativo per produrre bioetanolo dalle alghe.Piuttosto che coltivare le alghe e poi raccogliere e fermentare, le alghe crescono alla luce del sole e producono direttamente etanolo, che viene rimosso senza uccidere le alghe. Si sostiene che il processo possa produrre 6.000 galloni americani per ettaro (5.000 galloni imperiali per ettaro, 56.000 litri per ettaro) all’anno rispetto a 400 galloni americani per acro (330 imp gal / acri, 3.700 l / ha) per la produzione di mais.

Attualmente, i processi di prima generazione per la produzione di etanolo da mais usano solo una piccola parte della pianta di mais: i chicchi di mais sono prelevati dalla pianta di mais e solo l’amido, che rappresenta circa il 50% della massa secca del kernel, viene trasformato in etanolo. Due tipi di processi di seconda generazione sono in fase di sviluppo. Il primo tipo utilizza enzimi e fermentazione del lievito per convertire la cellulosa vegetale in etanolo, mentre il secondo tipo utilizza la pirolisi per convertire l’intera pianta in un bio-olio liquido o in un syngas. I processi di seconda generazione possono essere utilizzati anche con piante come erba, legno o materiale di scarto agricolo come la paglia.

Produzione
Sebbene ci siano vari modi per produrre etanolo, il modo più comune è attraverso la fermentazione.

Le fasi di base per la produzione su larga scala di etanolo sono: fermentazione microbica (lievito) di zuccheri, distillazione, disidratazione (i requisiti variano, vedi miscele di carburante etanolo, sotto) e denaturazione (opzionale). Prima della fermentazione, alcune colture richiedono saccarificazione o idrolisi di carboidrati come la cellulosa e l’amido in zuccheri. La saccarificazione della cellulosa si chiama cellulolisi (vedi etanolo cellulosico). Gli enzimi sono usati per convertire l’amido in zucchero.

Fermentazione
L’etanolo è prodotto dalla fermentazione microbica dello zucchero. La fermentazione microbica attualmente funziona solo direttamente con gli zuccheri. Due componenti principali di piante, amido e cellulosa, sono entrambi costituiti da zuccheri e, in linea di principio, possono essere convertiti in zuccheri per la fermentazione. Attualmente, solo le porzioni di zucchero (ad es. Zucchero di canna) e di amido (ad es. Mais) possono essere convertite economicamente. C’è molta attività nel campo dell’etanolo cellulosico, dove la parte di cellulosa di una pianta viene scomposta in zuccheri e successivamente convertita in etanolo.

Distillazione
Perché l’etanolo sia utilizzabile come combustibile, i solidi del lievito e la maggior parte dell’acqua devono essere rimossi. Dopo la fermentazione, la poltiglia viene riscaldata in modo che l’etanolo evapori. Questo processo, noto come distillazione, separa l’etanolo, ma la sua purezza è limitata al 95-96% a causa della formazione di un azeotropo acqua-etanolo a bassa ebollizione con un massimo (95,6% m / m (96,5% v / v) di etanolo e 4,4% m / m (3,5% v / v) di acqua). Questa miscela è chiamata etanolo idrato e può essere usata come combustibile da solo, ma a differenza dell’etanolo anidro, l’etanolo idrato non è miscibile in tutti i rapporti con la benzina, quindi la frazione d’acqua viene tipicamente rimossa in ulteriore trattamento da bruciare in combinazione con benzina nei motori a benzina .

Disidratazione
Esistono tre processi di disidratazione per rimuovere l’acqua da una miscela di etanolo / acqua azeotropica. Il primo processo, utilizzato in molte prime piante di etanolo per carburanti, è chiamato distillazione azeotropica e consiste nell’aggiungere benzene o cicloesano alla miscela. Quando questi componenti vengono aggiunti alla miscela, forma una miscela eterogenea azeotropica in equilibrio vapore-liquido-liquido, che quando distillata produce etanolo anidro nel fondo della colonna e una miscela di vapore di acqua, etanolo e cicloesano / benzene.

Quando condensato, diventa una miscela liquida a due fasi. La fase più pesante, povera nel trascinatore (benzene o cicloesano), viene spogliata del trascinatore e riciclata all’alimentazione, mentre la fase più leggera, con condensa dallo stripping, viene riciclata nella seconda colonna. Un altro metodo iniziale, chiamato distillazione estrattiva, consiste nell’aggiunta di un componente ternario che aumenta la volatilità relativa dell’etanolo. Quando la miscela ternaria viene distillata, produce etanolo anidro sul flusso superiore della colonna.

Con crescente attenzione al risparmio energetico, sono stati proposti molti metodi che evitano la distillazione del tutto per la disidratazione. Di questi metodi, un terzo metodo è emerso ed è stato adottato dalla maggior parte delle moderne piante di etanolo. Questo nuovo processo utilizza setacci molecolari per rimuovere l’acqua dall’etanolo del carburante. In questo processo, il vapore di etanolo sotto pressione passa attraverso un letto di granuli molecolari di setaccio. I pori del granulo sono dimensionati per consentire l’assorbimento di acqua escludendo l’etanolo. Dopo un periodo di tempo, il letto viene rigenerato sotto vuoto o nel flusso di atmosfera inerte (ad es. N2) per rimuovere l’acqua adsorbita. Due letti sono spesso usati in modo che uno sia disponibile per assorbire l’acqua mentre l’altro viene rigenerato. Questa tecnologia di disidratazione può rappresentare un risparmio energetico di 3.000 btus / gallone (840 kJ / L) rispetto alla precedente distillazione azeotropica.

Ricerche recenti hanno dimostrato che la completa disidratazione prima della miscelazione con benzina non è sempre necessaria. Invece, la miscela azeotropica può essere miscelata direttamente con la benzina in modo che l’equilibrio di fase liquido-liquido possa aiutare nell’eliminazione dell’acqua. Una configurazione in controcorrente a due stadi di serbatoi miscelatori-colono può raggiungere il completo recupero dell’etanolo nella fase di carburante, con un consumo energetico minimo.

Problemi idrici post-produzione
L’etanolo è igroscopico, il che significa che assorbe il vapore acqueo direttamente dall’atmosfera.Poiché l’acqua assorbita diluisce il valore del carburante dell’etanolo e può causare la separazione di fase delle miscele di etanolo e benzina (che causano lo stallo del motore), i contenitori di carburanti a base di etanolo devono essere tenuti ben sigillati. Questa elevata miscibilità con l’acqua significa che l’etanolo non può essere spedito in modo efficiente attraverso tubazioni moderne, come gli idrocarburi liquidi, su lunghe distanze.

La frazione di acqua che un carburante etanolo-benzina può contenere senza separazione di fase aumenta con la percentuale di etanolo. Ad esempio, E30 può avere fino a circa il 2% di acqua. Se c’è più di circa il 71% di etanolo, il resto può essere una qualsiasi proporzione di acqua o benzina e la separazione di fase non si verifica. Il consumo di carburante diminuisce con l’aumento del contenuto di acqua. L’aumentata solubilità dell’acqua con un contenuto di etanolo più elevato consente all’E30 e all’etanolo idratato di essere immessi nello stesso serbatoio poiché qualsiasi combinazione di questi risultati risulta sempre in un’unica fase. Un po ‘meno acqua è tollerata a temperature più basse. Per E10 è circa 0,5% v / v a 21 ° C e diminuisce a circa 0,23% v / v a -34 ° C.

Sistemi di produzione dei consumatori
Mentre i sistemi di produzione di biodiesel sono stati commercializzati per molti anni a casa e agli utenti aziendali, i sistemi di produzione di etanolo commercializzati progettati per l’uso da parte dei consumatori finali sono rimasti indietro nel mercato. Nel 2008, due diverse società hanno annunciato sistemi di produzione di etanolo su scala domestica. Il sistema di carburante avanzato AFS125 di Allard Research and Development è in grado di produrre sia etanolo che biodiesel in un’unica macchina, mentre E-100 MicroFueler di E-Fuel Corporation è dedicato esclusivamente all’etanolo.

motori

Risparmio di carburante
L’etanolo contiene ca. Il 34% in meno di energia per unità di volume rispetto alla benzina, e quindi in teoria, bruciando puro etanolo in un veicolo si riducono le miglia per gallone americano del 34%, a parità di risparmio di carburante, rispetto alla combustione di benzina pura. Tuttavia, poiché l’etanolo ha un numero di ottano superiore, il motore può essere reso più efficiente aumentando il rapporto di compressione. Utilizzando una geometria variabile o un turbocompressore a doppio scorrimento, il rapporto di compressione può essere ottimizzato per il carburante, rendendo il risparmio di carburante quasi costante per qualsiasi miscela.

Per E10 (10% di etanolo e 90% di benzina), l’effetto è piccolo (~ 3%) rispetto alla benzina convenzionale, e ancora più piccolo (1-2%) rispetto alle miscele ossigenate e riformulate. Per l’E85 (85% di etanolo), l’effetto diventa significativo. L’E85 produce un chilometraggio inferiore rispetto alla benzina e richiede un rifornimento più frequente. Le prestazioni effettive possono variare a seconda del veicolo. Basato sui test EPA per tutti i modelli E85 del 2006, il consumo medio di carburante per i veicoli E85 era inferiore del 25,56% rispetto alla benzina senza piombo. Il chilometraggio stimato dagli EPA degli attuali veicoli flex-fuel degli Stati Uniti dovrebbe essere preso in considerazione quando si effettuano confronti tra i prezzi, ma l’E85 è un carburante ad alte prestazioni, con un numero di ottano di circa 94-96, e dovrebbe essere paragonato al premio.

Partenza a freddo durante l’inverno
Le alte miscele di etanolo presentano un problema per ottenere una pressione di vapore sufficiente a far evaporare il combustibile e innescare l’accensione durante la stagione fredda (poiché l’etanolo tende ad aumentare l’entalpia di combustibile della vaporizzazione). Quando la pressione del vapore è inferiore a 45 kPa, l’avviamento di un motore freddo diventa difficile. Per evitare questo problema a temperature inferiori a 11 ° C (52 ° F) e ridurre le emissioni più elevate di etanolo durante il clima freddo, sia il mercato statunitense che quello europeo hanno adottato l’E85 come miscela massima da utilizzare nei loro veicoli a carburante flessibile, e sono ottimizzati per funzionare con una tale miscela. In luoghi con clima freddo rigido, la miscela di etanolo negli Stati Uniti ha una riduzione stagionale della E70 per queste regioni molto fredde, sebbene sia ancora venduta come E85. Nei luoghi in cui le temperature scendono sotto i -12 ° C (10 ° F) durante l’inverno, si consiglia di installare un sistema di riscaldamento del motore, sia per la benzina che per i veicoli E85. La Svezia ha una riduzione stagionale simile, ma il contenuto di etanolo nella miscela è ridotto a E75 durante i mesi invernali.

I veicoli brasiliani alimentati a carburante flessibile possono operare con miscele di etanolo fino a E100, che è l’etanolo idrato (con un massimo del 4% di acqua), che fa scendere la pressione del vapore più velocemente rispetto ai veicoli E85. Di conseguenza, i veicoli flex brasiliani sono costruiti con un piccolo serbatoio secondario di benzina situato vicino al motore. Durante una partenza a freddo viene iniettata benzina pura per evitare problemi di avviamento a basse temperature. Questa disposizione è particolarmente necessaria per gli utenti delle regioni meridionali e centrali del Brasile, dove le temperature scendono normalmente sotto i 15 ° C (59 ° F) durante l’inverno. Nel 2009 è stata lanciata una generazione di motori flex migliorata che elimina la necessità del serbatoio secondario di stoccaggio del gas. Nel marzo 2009 la Volkswagen do Brasil ha lanciato la Polo E-Flex, il primo modello di combustibile flessibile brasiliano senza serbatoio ausiliario per l’avviamento a freddo.

Miscele di carburante
In molti paesi le automobili sono obbligate a funzionare con miscele di etanolo. Tutti i veicoli commerciali leggeri brasiliani sono costruiti per funzionare con una miscela di etanolo fino al 25% (E25), e dal 1993 una legge federale richiede miscele tra il 22% e il 25% di etanolo, con il 25% richiesto a metà luglio 2011. In negli Stati Uniti tutti i veicoli leggeri sono costruiti per funzionare normalmente con una miscela di etanolo del 10% (E10). Alla fine del 2010 oltre il 90 percento di tutta la benzina venduta negli Stati Uniti era miscelata con etanolo. Nel gennaio 2011 l’Environmental Protection Agency (EPA) degli Stati Uniti ha emesso una deroga per autorizzare fino al 15% di etanolo miscelato con benzina (E15) a essere venduto solo per auto e camioncini leggeri con un anno modello del 2001 o più recente.

A partire dal model year 1999, un numero crescente di veicoli nel mondo è fabbricato con motori che possono funzionare con qualsiasi tipo di carburante da etanolo 0% fino a etanolo al 100% senza modifiche. Molte auto e autocarri leggeri (una classe contenente minivan, SUV e pick-up) sono progettati per essere veicoli a carburante flessibile che utilizzano miscele di etanolo fino all’85% (E85) in Nord America e in Europa e fino al 100% (E100) in Brasile . Negli anni di modello precedenti, i loro sistemi motore contenevano sensori di alcol nei sensori di carburante e / o ossigeno nello scarico che forniscono input al computer di controllo del motore per regolare l’iniezione di carburante per ottenere stochiometrici (nessun combustibile residuo o ossigeno libero nello scarico) rapporto carburante / carburante per qualsiasi miscela di carburante. Nei modelli più recenti, i sensori di alcol sono stati rimossi, con il computer che utilizza solo il feedback del sensore del flusso d’aria e dell’ossigeno per stimare il contenuto di alcol. Il computer di controllo del motore può anche regolare (anticipare) la fasatura dell’accensione per ottenere una maggiore potenza senza pre-accensione quando prevede che siano presenti percentuali di alcol più elevate nel combustibile che viene bruciato. Questo metodo è supportato da sensori di detonazione avanzati, utilizzati nella maggior parte dei motori a benzina ad alte prestazioni, indipendentemente dal fatto che siano progettati per utilizzare etanolo o meno, che rilevano la pre-accensione e la detonazione.

Altre configurazioni del motore

Motori ED95
Dal 1989 ci sono anche motori a etanolo basati sul principio del diesel che opera in Svezia. Sono utilizzati principalmente negli autobus urbani, ma anche nei camion di distribuzione e nei raccoglitori di rifiuti. I motori, prodotti da Scania, hanno un rapporto di compressione modificato e il carburante (noto come ED95) utilizzato è un mix di 93,6% di etanolo e 3,6% di miglioramento dell’accensione e del 2,8% di denaturanti. L’ammendante dell’accensione consente al carburante di accendersi nel ciclo di combustione del diesel. È anche possibile utilizzare l’efficienza energetica del principio del gasolio con l’etanolo. Questi motori sono stati utilizzati nel Regno Unito da Reading Buses ma l’uso del combustibile a bioetanolo è stato gradualmente eliminato.

Doppia iniezione diretta
Uno studio del MIT del 2004 e un precedente articolo pubblicato dalla Society of Automotive Engineers hanno identificato un metodo per sfruttare le caratteristiche dell’etanolo del carburante in modo sostanzialmente più efficiente rispetto alla miscelazione con benzina. Il metodo presenta la possibilità di sfruttare l’uso di alcol per ottenere un netto miglioramento rispetto al rapporto costo-efficacia dell’ibrido elettrico. Il miglioramento consiste nell’utilizzare l’iniezione diretta a doppia alimentazione di alcool puro (o azeotropo o E85) e benzina, in qualsiasi rapporto fino al 100% di entrambi, in un motore turbo con un rapporto di compressione elevato, con prestazioni simili a un motore che ha il doppio della cilindrata. Ogni carburante viene trasportato separatamente, con un serbatoio molto più piccolo per l’alcol. Il motore ad alta compressione (per una maggiore efficienza) funziona con benzina normale in condizioni di crociera a bassa potenza. L’alcool viene iniettato direttamente nei cilindri (e l’iniezione di benzina viene simultaneamente ridotta) solo quando necessario per sopprimere il “colpo”, come quando si accelera significativamente. L’iniezione diretta del cilindro aumenta il numero di ottano già elevato di etanolo fino a un valore effettivo di 130. La riduzione complessiva calcolata dell’uso di benzina e delle emissioni di CO2 è del 30%. Il tempo di recupero del costo del consumatore mostra un miglioramento di 4: 1 rispetto al turbocompressore e un miglioramento di 5: 1 rispetto all’ibrido. Vengono inoltre evitati i problemi di assorbimento d’acqua nella benzina premiscelata (causando separazione delle fasi), problemi di fornitura di rapporti multipli di miscelazione e avviamento a freddo.

Aumento dell’efficienza termica
In uno studio del 2008, i complessi controlli del motore e il maggiore ricircolo dei gas di scarico hanno consentito un rapporto di compressione di 19,5 con carburanti che vanno dall’etanolo pulito a E50. L’efficienza termica fino a circa quella per un diesel è stata raggiunta. Ciò comporterebbe il risparmio di carburante di un veicolo pulito di etanolo pari all’incirca a quello di una benzina in fiamme.

Celle a combustibile alimentate da un reformer di etanolo
Nel giugno 2016, Nissan ha annunciato piani per sviluppare veicoli a celle a combustibile alimentati a etanolo anziché idrogeno, il carburante preferito dagli altri costruttori di auto che hanno sviluppato e commercializzato veicoli a celle a combustibile, come Hyundai Tucson FCEV, Toyota Mirai e Honda FCX Chiarezza. Il vantaggio principale di questo approccio tecnico è che sarebbe meno costoso e più facile dispiegare l’infrastruttura di alimentazione rispetto a quello necessario per fornire idrogeno a pressioni elevate, poiché ogni stazione di rifornimento di idrogeno costa $ 1 milione a $ 2 milioni da costruire.

Ambiente

Bilancio energetico
Tutta la biomassa attraversa almeno alcuni di questi passaggi: deve essere coltivata, raccolta, essiccata, fermentata, distillata e bruciata. Tutti questi passaggi richiedono risorse e un’infrastruttura.La quantità totale di energia immessa nel processo rispetto all’energia rilasciata bruciando il combustibile risultante dall’etanolo è nota come il bilancio energetico (o “energia restituita dall’energia investita”). Le cifre raccolte in un rapporto del 2007 del National Geographic Magazine indicano risultati modesti per l’etanolo di mais prodotto negli Stati Uniti: è necessaria una unità di energia da combustibili fossili per creare 1,3 unità di energia dall’etanolo risultante. Il bilancio energetico per l’etanolo di canna da zucchero prodotto in Brasile è più favorevole, con una unità di energia da combustibile fossile necessaria per creare 8 dall’etanolo. Le stime del bilancio energetico non sono facilmente prodotte, pertanto numerosi rapporti di questo tipo sono stati generati in modo contraddittorio. Ad esempio, un’indagine separata riporta che la produzione di etanolo dalla canna da zucchero, che richiede un clima tropicale per crescere in modo produttivo, restituisce da 8 a 9 unità di energia per ogni unità consumata, rispetto al mais, che restituisce solo circa 1,34 unità di energia del carburante per ogni unità di energia spesa. Uno studio dell’Università della California Berkeley del 2006, dopo aver analizzato sei studi separati, ha concluso che la produzione di etanolo dal mais consuma molto meno petrolio rispetto alla produzione di benzina.

L’anidride carbonica, un gas serra, viene emessa durante la fermentazione e la combustione. Ciò viene annullato dal maggiore assorbimento di anidride carbonica da parte delle piante mentre crescono per produrre la biomassa. Rispetto alla benzina, a seconda del metodo di produzione, l’etanolo rilascia meno gas serra.

Inquinamento dell’aria
Rispetto alla benzina senza piombo convenzionale, l’etanolo è una fonte di combustibile bruciante senza particolato che si combina con l’ossigeno per formare biossido di carbonio, monossido di carbonio, acqua e aldeidi. Il Clean Air Act richiede l’aggiunta di ossigenati per ridurre le emissioni di monossido di carbonio negli Stati Uniti. L’MTBE additivo è attualmente in fase di eliminazione a causa della contaminazione delle acque sotterranee, quindi l’etanolo diventa un interessante additivo alternativo. Gli attuali metodi di produzione comprendono l’inquinamento atmosferico da parte del produttore di fertilizzanti macronutrienti come l’ammoniaca.

Uno studio condotto da scienziati atmosferici alla Stanford University ha rilevato che il carburante E85 aumenterebbe il rischio di decessi dovuti all’inquinamento atmosferico relativo alla benzina del 9% a Los Angeles, negli Stati Uniti: una metropoli molto grande, urbana, basata sulle automobili, che è uno scenario peggiore. I livelli di ozono sono significativamente aumentati, aumentando così lo smog fotochimico e aggravando i problemi medici come l’asma.

Diossido di carbonio

Il calcolo della quantità esatta di anidride carbonica prodotta nella produzione di bioetanolo è un processo complesso e inesatto, ed è altamente dipendente dal metodo con cui viene prodotto l’etanolo e dalle ipotesi formulate nel calcolo. Un calcolo dovrebbe includere:

Il costo della crescita della materia prima
Il costo del trasporto della materia prima in fabbrica
Il costo di trasformazione della materia prima in bioetanolo

Un tale calcolo può o non può prendere in considerazione i seguenti effetti:

Il costo del cambiamento nell’uso del suolo della zona in cui viene coltivata la materia prima del carburante.
Il costo del trasporto del bioetanolo dalla fabbrica al suo punto di utilizzo
L’efficienza del bioetanolo rispetto alla benzina standard
La quantità di anidride carbonica prodotta al tubo di coda.
I benefici dovuti alla produzione di bi-prodotti utili, come mangimi per bestiame o elettricità.

Il grafico a destra mostra le cifre calcolate dal governo del Regno Unito ai fini dell’obbligo del carburante per i trasporti rinnovabili.

Un’ulteriore complicazione è che la produzione richiede la lavorazione di nuovo terreno che produce una produzione unica di GHG che può richiedere decenni o centinaia di riduzioni della produzione di emissioni di gas serra per equalizzare. Ad esempio, la conversione delle terre erbacee alla produzione di mais per l’etanolo richiede circa un secolo di risparmi annuali per compensare il GHG rilasciato dalla lavorazione iniziale.

Cambiamento nell’uso del suolo
L’agricoltura su larga scala è necessaria per produrre alcolici agricoli e questo richiede ingenti quantità di terra coltivata. Ricercatori dell’Università del Minnesota riferiscono che se tutto il mais coltivato negli Stati Uniti fosse utilizzato per produrre etanolo, avrebbe spostato il 12% dell’attuale consumo di benzina negli Stati Uniti. Ci sono affermazioni secondo le quali la terra per la produzione di etanolo viene acquisita attraverso la deforestazione, mentre altri hanno osservato che le aree che attualmente sostengono le foreste di solito non sono adatte alla coltivazione. In ogni caso, l’agricoltura può comportare un calo della fertilità del suolo a causa della riduzione della materia organica, una diminuzione della disponibilità e della qualità dell’acqua, un aumento dell’uso di pesticidi e fertilizzanti e una potenziale dislocazione delle comunità locali. La nuova tecnologia consente agli agricoltori e ai trasformatori di produrre sempre lo stesso risultato utilizzando meno input.

La produzione di etanolo cellulosico è un nuovo approccio che può alleviare l’uso del suolo e le preoccupazioni correlate. L’etanolo cellulosico può essere prodotto da qualsiasi materiale vegetale, potenzialmente raddoppiando i raccolti, nel tentativo di ridurre al minimo il conflitto tra le esigenze alimentari e le esigenze di carburante. Invece di utilizzare solo sottoprodotti di amido per macinare il grano e altre colture, la produzione di etanolo cellulosico massimizza l’uso di tutti i materiali vegetali, incluso il glutine. Questo approccio avrebbe un’impronta di carbonio inferiore perché la quantità di fertilizzanti e fungicidi ad alta intensità energetica rimane la stessa per una maggiore produzione di materiale utilizzabile. La tecnologia per la produzione di etanolo cellulosico è attualmente in fase di commercializzazione.

Usare la biomassa per l’elettricità anziché l’etanolo
La conversione della biomassa in energia elettrica per la ricarica di veicoli elettrici potrebbe essere un’opzione di trasporto più “rispettosa del clima” rispetto all’utilizzo di biomassa per la produzione di combustibile a base di etanolo, secondo un’analisi pubblicata su Science nel maggio 2009 I ricercatori continuano a cercare sviluppi più convenienti in entrambi i settori cellulosico etanolo e batterie avanzate per veicoli.

Costi sanitari delle emissioni di etanolo
Per ogni miliardo di galloni equivalenti di etanolo di carburante prodotti e bruciati negli Stati Uniti, i costi combinati di cambiamento climatico e salute sono 469 milioni di dollari per la benzina, 472-952 milioni di dollari per l’etanolo da mais a seconda della fonte di calore della bioraffineria (gas naturale, stover di mais o carbone) e tecnologia, ma solo 123-208 milioni di dollari per l’etanolo cellulosico a seconda della materia prima (biomassa di prateria, miscanto, stover di mais o panico verga).

Efficienza delle colture comuni
Man mano che i rendimenti di etanolo migliorano o vengono introdotte diverse materie prime, la produzione di etanolo potrebbe diventare economicamente più fattibile negli Stati Uniti. Attualmente, la ricerca sul miglioramento dei rendimenti di etanolo da ciascuna unità di mais è in corso utilizzando la biotecnologia. Inoltre, finché i prezzi del petrolio rimangono elevati, l’uso economico di altre materie prime, come la cellulosa, diventa vitale. Sottoprodotti come paglia o trucioli di legno possono essere convertiti in etanolo. Le specie a crescita rapida come il panico vergine possono essere coltivate su terreni non adatti ad altre colture da reddito e producono alti livelli di etanolo per unità di superficie.

raccolto Rendimento annuo (Litri / ettaro, gallone USA / acro) Risparmio di gas serra
vs. benzina[a]
Commenti
Canna da zucchero 6800-8000 L / ha,
727-870 g / acro
87% -96% Erba annuale di lunga stagione Utilizzato come materia prima per la maggior parte del bioetanolo prodotto in Brasile. Impianti di lavorazione più recenti bruciano residui non utilizzati per l’etanolo per generare elettricità.Cresce solo nei climi tropicali e subtropicali.
Miscanthus 7300 L / ha,
780 g / acro
37% -73% Erba perenne a basso input. La produzione di etanolo dipende dallo sviluppo della tecnologia cellulosica.
switchgrass 3100-7600 L / ha,
330-810 g / acro
37% -73% Erba perenne a basso input. La produzione di etanolo dipende dallo sviluppo della tecnologia cellulosica. Sforzi di allevamento in corso per aumentare i raccolti. Maggiore produzione di biomassa possibile con specie miste di erbe perenni.
Pioppo 3700-6000 L / ha,
400-640 g / acro
51% -100% Albero a crescita rapida. La produzione di etanolo dipende dallo sviluppo della tecnologia cellulosica. Il completamento del progetto di sequenziamento genomico aiuterà gli sforzi di allevamento per aumentare i raccolti.
Sorgo dolce 2500-7000 L / ha,
270-750 g / acro
Nessun dato Erba annuale a basso input. Produzione di etanolo possibile utilizzando la tecnologia esistente. Cresce in climi tropicali e temperati, ma le stime più alte sulla produzione di etanolo presuppongono più colture all’anno (possibili solo in climi tropicali). Non si conserva bene
Mais 3100-4000 L / ha,
330-424 g / acro
10% -20% Erba annuale ad alto input. Utilizzato come materia prima per la maggior parte del bioetanolo prodotto negli Stati Uniti. Solo i kernel possono essere elaborati utilizzando la tecnologia disponibile; lo sviluppo della tecnologia commerciale della cellulosa consentirebbe l’uso di stover e aumenterebbe la resa in etanolo di 1.100-2.000 litri / ha.
Fonte: Nature 444 (7 dicembre 2006): 673-676. 
– Risparmio di emissioni di gas serra in assenza di un cambio di destinazione del suolo (utilizzando i terreni coltivati ​​esistenti).

Riduzione delle importazioni e dei costi del petrolio
Un motivo razionale per la produzione estesa di etanolo negli Stati Uniti è il suo beneficio per la sicurezza energetica, spostando la necessità di un certo olio prodotto estero a fonti energetiche prodotte internamente. La produzione di etanolo richiede energia significativa, ma l’attuale produzione statunitense deriva la maggior parte dell’energia da carbone, gas naturale e altre fonti, piuttosto che dal petrolio. Poiché il 66% del petrolio consumato negli Stati Uniti viene importato, rispetto a un surplus netto di carbone e solo il 16% del gas naturale (dati del 2006), lo spostamento dei carburanti a base di petrolio in etanolo produce un passaggio netto dagli Stati Uniti agli Stati Uniti. fonti di energia.

Secondo un’analisi del 2008 della Iowa State University, la crescita della produzione di etanolo negli Stati Uniti ha portato i prezzi al dettaglio della benzina a un valore inferiore di US $ 0,29 a $ 0,40 USD per gallone rispetto a quanto sarebbe stato altrimenti.

Ricerca
La ricerca sull’etanolo si concentra su fonti alternative, nuovi catalizzatori e processi di produzione.INEOS ha prodotto etanolo da materiali vegetativi e scarti di legno. Il batterio E. coli quando geneticamente ingegnerizzato con geni ed enzimi del rum della mucca può produrre etanolo dal mais stover. Altre materie prime potenziali sono rifiuti urbani, prodotti riciclati, scafi di riso, bagassa di canna da zucchero, trucioli di legno, panico verga e anidride carbonica.