O etanol combustível é o álcool etílico, o mesmo tipo de álcool encontrado em bebidas alcoólicas, usado como combustível. É mais frequentemente usado como combustível para motores, principalmente como aditivo de biocombustível para gasolina. O primeiro carro de produção movido inteiramente a etanol foi o Fiat 147, introduzido em 1978 no Brasil pela Fiat. O etanol é comumente feito a partir de biomassa, como milho ou cana-de-açúcar. A produção mundial de etanol para combustível de transporte triplicou entre 2000 e 2007, de 17 × 109 litros (4,5 × 109 US gal; 3,7 × 109 imp gal) para mais de 52 × 109 litros (1,4 × 1010 US gal; 1,1 × 1010 imp gal). De 2007 a 2008, a participação do etanol no uso de combustíveis do tipo gasolina global aumentou de 3,7% para 5,4%. Em 2011, a produção mundial de etanol combustível alcançou 8,46 × 1010 litros (2,23 x 1010 US gal; 1,86 × 1010 imp gal), sendo os Estados Unidos da América e o Brasil os principais produtores, responsáveis ​​por 62,2% e 25% da produção global, respectivamente. A produção de etanol nos EUA chegou a 57,54 × 109 litros (1.520 × 1010 US gal; 1.266 × 1010 imp gal) em 2017-04.

O combustível de etanol tem um valor de “equivalência de galão de gasolina” (GGE) de 1,5, ou seja, para substituir a energia de 1 volume de gasolina, é necessário 1,5 vezes o volume de etanol.

O combustível misturado com etanol é amplamente utilizado no Brasil, nos Estados Unidos e na Europa (veja também Etanol combustível por país). A maioria dos carros na estrada hoje nos EUA pode operar com misturas de até 10% de etanol, e o etanol representou 10% do suprimento de combustível a gasolina derivado de fontes domésticas em 2011. Além disso, muitos carros hoje são veículos flexíveis capazes de use 100% de etanol combustível.

Desde 1976, o governo brasileiro tornou obrigatório a mistura do etanol com a gasolina e, desde 2007, a mistura legal é de cerca de 25% de etanol e 75% de gasolina (E25). Em dezembro de 2011, o Brasil tinha uma frota de 14,8 milhões de automóveis flex e caminhões leves e 1,5 milhão de motocicletas flex-fuel que usam regularmente etanol puro (conhecido como E100).

O bioetanol é uma forma de energia renovável que pode ser produzida a partir de matérias-primas agrícolas. Pode ser feito a partir de culturas muito comuns, como cânhamo, cana de açúcar, batata, mandioca e milho. Tem havido um debate considerável sobre a utilidade do bioetanol na substituição da gasolina. As preocupações com sua produção e uso estão relacionadas ao aumento dos preços dos alimentos devido à grande quantidade de terra arável necessária para as plantações, bem como ao balanço de energia e poluição de todo o ciclo de produção de etanol, especialmente do milho.Desenvolvimentos recentes com a produção e comercialização de etanol celulósico podem acalmar algumas dessas preocupações.

O etanol celulósico oferece uma promessa porque as fibras de celulose, um componente importante e universal nas paredes das células das plantas, podem ser usadas para produzir etanol. De acordo com a Agência Internacional de Energia, o etanol celulósico poderia permitir que os combustíveis do etanol desempenhassem um papel muito maior no futuro.

Química
Durante a fermentação do etanol, a glicose e outros açúcares no milho (ou cana ou outras culturas) são convertidos em etanol e dióxido de carbono.

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 2 C ₂ H ₅ OH + 2 CO ₂ + calor
A fermentação do etanol não é 100% seletiva com produtos colaterais, como ácido acético e glicóis.Eles são principalmente removidos durante a purificação de etanol. A fermentação ocorre em uma solução aquosa. A solução resultante tem um teor de etanol de cerca de 15%. O etanol é subsequentemente isolado e purificado por uma combinação de adsorção e destilação.

Durante a combustão, o etanol reage com o oxigênio para produzir dióxido de carbono, água e calor:

C ₂ H ₅ OH + 3 O ₂ → 2 CO ₂ + 3 H ₂ O + calor
As moléculas de amido e celulose são cadeias de moléculas de glicose. Também é possível gerar etanol a partir de materiais celulósicos. Isso, no entanto, requer um pré-tratamento que divide a celulose em moléculas de glicose e outros açúcares que subsequentemente podem ser fermentados. O produto resultante é chamado etanol celulósico, indicando sua origem.

O etanol também é produzido industrialmente a partir do etileno pela hidratação da dupla ligação na presença de um catalisador e alta temperatura.

C ₂ H ₄ + H ₂ O → C ₂ H ₅ OH
A maior parte do etanol é produzida por fermentação.

Fontes
Cerca de 5% do etanol produzido no mundo em 2003 era na verdade um produto de petróleo. É feito pela hidratação catalítica de etileno com ácido sulfúrico como catalisador. Também pode ser obtido via etileno ou acetileno, a partir de carbureto de cálcio, carvão, gás de petróleo e outras fontes. Dois milhões de toneladas curtas (1.786.000 toneladas longas; 1.814.000 t) de etanol derivado do petróleo são produzidas anualmente. Os principais fornecedores são fábricas nos Estados Unidos, Europa e África do Sul. O etanol derivado do petróleo (etanol sintético) é quimicamente idêntico ao bioetanol e pode ser diferenciado apenas pela datação por radiocarbono.

O bioetanol é geralmente obtido a partir da conversão de matéria-prima baseada em carbono. As matérias-primas agrícolas são consideradas renováveis ​​porque obtêm energia do sol usando a fotossíntese, desde que todos os minerais necessários para o crescimento (como o nitrogênio e o fósforo) sejam devolvidos à terra. O etanol pode ser produzido a partir de uma variedade de matérias-primas como cana-de-açúcar, bagaço, miscanthus, beterraba sacarina, sorgo, grãos, switchgrass, cevada, cânhamo, kenaf, batatas, batata doce, mandioca, girassol, frutas, melaço, milho, palha, grãos, trigo, palha, algodão, outras biomassas, bem como muitos tipos de resíduos e colheitas de celulose, o que tiver a melhor avaliação do tipo “well-to-wheel”.

Um processo alternativo para produzir bioetanol a partir de algas está sendo desenvolvido pela empresa Algenol. Em vez de cultivar algas e depois colhê-las e fermentá-las, as algas crescem na luz do sol e produzem etanol diretamente, que é removido sem matar as algas. Alega-se que o processo pode produzir 6.000 galões americanos por acre (5.000 galões imperiais por acre; 56.000 litros por hectare) por ano, comparado com 400 galões americanos por acre (330 imp / acre; 3.700 l / ha) para a produção de milho.

Atualmente, os processos de primeira geração para a produção de etanol de milho utilizam apenas uma pequena parte da planta de milho: os grãos de milho são retirados do milho e somente o amido, que representa cerca de 50% da massa do grão seco, é transformado em etanol. Dois tipos de processos de segunda geração estão em desenvolvimento. O primeiro tipo usa enzimas e fermentação de levedura para converter a celulose vegetal em etanol, enquanto o segundo tipo usa pirólise para converter toda a planta em um líquido bio-óleo ou um syngas. Os processos de segunda geração também podem ser usados ​​com plantas como gramíneas, madeira ou resíduos agrícolas, como palha.

Produção
Embora existam várias maneiras pelas quais o etanol combustível pode ser produzido, a maneira mais comum é via fermentação.

As etapas básicas para a produção em larga escala de etanol são: fermentação microbiana (levedura) de açúcares, destilação, desidratação (os requisitos variam, veja misturas de combustível de etanol, abaixo) e desnaturação (opcional). Antes da fermentação, algumas culturas requerem sacarificação ou hidrólise de carboidratos, como celulose e amido, em açúcares. A sacarificação da celulose é chamada celulólise (ver etanol celulósico). As enzimas são usadas para converter o amido em açúcar.

Fermentação
O etanol é produzido pela fermentação microbiana do açúcar. A fermentação microbiana atualmente só funciona diretamente com açúcares. Dois componentes principais de plantas, amido e celulose, são ambos feitos de açúcares – e podem, em princípio, ser convertidos em açúcares para fermentação. Atualmente, apenas as porções de açúcar (por exemplo, cana-de-açúcar) e amido (por exemplo, milho) podem ser economicamente convertidas. Há muita atividade na área de etanol celulósico, onde a parte de celulose de uma planta é decomposta em açúcares e subsequentemente convertida em etanol.

Destilação
Para que o etanol possa ser utilizado como combustível, os sólidos de levedura e a maioria da água devem ser removidos. Após a fermentação, o mosto é aquecido para que o etanol evapore. Este processo, conhecido como destilação, separa o etanol, mas sua pureza é limitada a 95-96% devido à formação de um azeotropo água-etanol de baixo ponto de ebulição com um máximo (95,6% m / m (96,5% v / v) de etanol e 4,4% m / m (3,5% v / v) de água). Essa mistura é chamada de etanol hidratado e pode ser usada apenas como combustível, mas ao contrário do etanol anidro, o etanol hidratado não é miscível em todas as proporções com gasolina, portanto a fração de água é normalmente removida em tratamento adicional para queima em combinação com gasolina em motores a gasolina .

Desidratação
Existem três processos de desidratação para remover a água de uma mistura azeotrópica de etanol / água. O primeiro processo, usado em muitas usinas de etanol combustível, é chamado de destilação azeotrópica e consiste na adição de benzeno ou ciclohexano à mistura. Quando esses componentes são adicionados à mistura, ela forma uma mistura azeotrópica heterogênea no equilíbrio líquido-líquido, que quando destilada produz etanol anidro no fundo da coluna, e uma mistura de vapor de água, etanol e ciclohexano / benzeno.

Quando condensado, isso se torna uma mistura líquida de duas fases. A fase mais pesada, pobre no transportador (benzeno ou ciclohexano), é removida do transportador e reciclada para a alimentação – enquanto a fase mais leve, com condensado do decapante, é reciclada para a segunda coluna. Outro método inicial, chamado de destilação extrativa, consiste em adicionar um componente ternário que aumenta a relativa volatilidade do etanol. Quando a mistura ternária é destilada, produz etanol anidro no fluxo superior da coluna.

Com crescente atenção sendo dada à economia de energia, muitos métodos têm sido propostos para evitar a destilação para a desidratação. Destes métodos, um terceiro método surgiu e foi adotado pela maioria das usinas de etanol modernas. Este novo processo usa peneiras moleculares para remover a água do etanol combustível. Nesse processo, o vapor de etanol sob pressão passa por um leito de grânulos de peneira molecular. Os poros da conta são dimensionados para permitir a adsorção de água, excluindo o etanol. Após um período de tempo, o leito é regenerado sob vácuo ou no fluxo de atmosfera inerte (por exemplo, N2) para remover a água adsorvida. Duas camas são frequentemente usadas para que uma esteja disponível para absorver água enquanto a outra está sendo regenerada. Essa tecnologia de desidratação pode representar uma economia de energia de 3.000 bt / galão (840 kJ / l) em comparação com a destilação azeotrópica anterior.

Pesquisas recentes demonstraram que a desidratação completa antes da mistura com gasolina nem sempre é necessária. Em vez disso, a mistura azeotrópica pode ser misturada diretamente com a gasolina, de modo que o equilíbrio da fase líquido-líquido possa ajudar na eliminação da água. Uma configuração em contracorrente de dois estágios de tanques misturadores-decantadores pode alcançar a recuperação completa do etanol na fase de combustível, com consumo mínimo de energia.

Problemas de água de pós-produção
O etanol é higroscópico, o que significa que ele absorve vapor de água diretamente da atmosfera.Como a água absorvida dilui o valor do combustível do etanol e pode causar a separação de fases das misturas etanol-gasolina (que causam a parada do motor), os contêineres de etanol devem ser mantidos hermeticamente fechados. Essa alta miscibilidade com a água significa que o etanol não pode ser eficientemente transportado através de dutos modernos, como hidrocarbonetos líquidos, em longas distâncias.

A fração de água que um combustível etanol-gasolina pode conter sem separação de fases aumenta com a porcentagem de etanol. Por exemplo, o E30 pode ter até cerca de 2% de água. Se houver mais de cerca de 71% de etanol, o restante pode ser qualquer proporção de água ou gasolina e a separação de fases não ocorre. A quilometragem do combustível diminui com o aumento do teor de água. O aumento da solubilidade da água com maior teor de etanol permite que o E30 e o etanol hidratado sejam colocados no mesmo tanque, uma vez que qualquer combinação deles resulta sempre em uma única fase. Um pouco menos de água é tolerada a temperaturas mais baixas. Para E10 é cerca de 0,5% v / v a 21 ° C e diminui para cerca de 0,23% v / v a -34 ° C.

Sistemas de produção de consumo
Embora os sistemas de produção de biodiesel tenham sido comercializados para usuários residenciais e empresariais por muitos anos, os sistemas de produção de etanol comercializados projetados para uso do consumidor final ficaram aquém do mercado. Em 2008, duas empresas diferentes anunciaram sistemas de produção de etanol em escala doméstica. O Sistema de Combustível Avançado AFS125 da Allard Research and Development é capaz de produzir etanol e biodiesel em uma máquina, enquanto o E-100 MicroFueler da E-Fuel Corporation é dedicado apenas ao etanol.

Motores

Economia de combustível
Etanol contém aprox. 34% menos energia por unidade de volume do que a gasolina e, portanto, em teoria, a queima de etanol puro em um veículo reduz em 34% os quilômetros por galão, dada a mesma economia de combustível, em comparação com a queima da gasolina pura. No entanto, como o etanol tem um índice de octanas mais alto, o motor pode ser mais eficiente aumentando sua taxa de compressão. Usando uma geometria variável ou um turbocompressor de rolagem dupla, a taxa de compressão pode ser otimizada para o combustível, tornando a economia de combustível quase constante para qualquer mistura.

Para E10 (10% etanol e 90% gasolina), o efeito é pequeno (~ 3%) quando comparado à gasolina convencional, e ainda menor (1-2%) quando comparado às misturas oxigenadas e reformuladas.Para E85 (85% etanol), o efeito se torna significativo. E85 produz menor quilometragem do que a gasolina e requer reabastecimento mais freqüente. O desempenho real pode variar dependendo do veículo. Com base nos testes da EPA para todos os modelos E85 de 2006, a economia média de combustível dos veículos E85 foi 25,56% menor do que a gasolina sem chumbo. A quilometragem da EPA dos atuais veículos flex-fuel dos Estados Unidos deve ser considerada ao fazer comparações de preços, mas o E85 é um combustível de alto desempenho, com um índice de octanas de cerca de 94-96, e deve ser comparado ao prêmio.

Partida a frio durante o inverno
Misturas altas de etanol representam um problema para conseguir pressão de vapor suficiente para o combustível evaporar e acender a ignição durante o tempo frio (já que o etanol tende a aumentar a entalpia de vaporização do combustível). Quando a pressão de vapor está abaixo de 45 kPa, o arranque de um motor frio torna-se difícil. Para evitar esse problema em temperaturas abaixo de 11 ° C (52 ° F) e para reduzir as emissões maiores de etanol durante o tempo frio, tanto os mercados norte-americanos quanto os europeus adotaram o E85 como a mistura máxima a ser usada em seus veículos flexíveis de combustível. são otimizados para serem executados em uma mistura desse tipo. Em locais com clima frio, a mistura de etanol nos EUA tem uma redução sazonal para o E70 para essas regiões muito frias, embora ainda seja vendido como E85. Em locais onde as temperaturas caiam abaixo de -12 ° C durante o inverno, recomenda-se a instalação de um sistema de aquecimento do motor, tanto para gasolina quanto para veículos E85. A Suécia tem uma redução sazonal semelhante, mas o teor de etanol na mistura é reduzido para E75 durante os meses de inverno.

Os veículos flex fuel brasileiros podem operar com misturas de etanol até o E100, que é o etanol hidratado (com até 4% de água), o que faz com que a pressão de vapor caia mais rápido em comparação aos veículos E85. Como resultado, os veículos flex brasileiros são construídos com um pequeno reservatório secundário de gasolina localizado próximo ao motor. Durante um arranque a frio, é injectada gasolina pura para evitar problemas de arranque a baixas temperaturas. Esta disposição é particularmente necessária para usuários das regiões sul e central do Brasil, onde as temperaturas normalmente caem abaixo de 15 ° C durante o inverno. Uma geração aprimorada de motores flex foi lançada em 2009 e elimina a necessidade do tanque secundário de armazenamento de gás. Em março de 2009, a Volkswagen do Brasil lançou o Polo E-Flex, o primeiro modelo brasileiro de combustível flexível sem um tanque auxiliar para partida a frio.

Misturas de combustível
Em muitos países, os carros são obrigados a funcionar com misturas de etanol. Todos os veículos leves brasileiros são construídos para operar para uma mistura de etanol de até 25% (E25), e desde 1993 uma lei federal exige misturas entre 22% e 25% de etanol, com 25% exigidos em meados de julho de 2011. Nos Estados Unidos, todos os veículos leves são construídos para operar normalmente com uma mistura de etanol de 10% (E10). No final de 2010, mais de 90% de toda a gasolina vendida nos EUA era misturada ao etanol. Em janeiro de 2011, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) emitiu uma autorização para autorizar que até 15% do etanol misturado com gasolina (E15) fosse vendido apenas para carros e caminhonetes leves com um ano modelo de 2001 ou mais recente.

A partir do ano modelo de 1999, um número crescente de veículos no mundo é fabricado com motores que podem funcionar com qualquer combustível, de 0% de etanol até 100% de etanol, sem modificação. Muitos carros e caminhonetes leves (uma classe contendo minivans, SUVs e picapes) são projetados para serem veículos flexíveis usando misturas de etanol de até 85% (E85) na América do Norte e Europa, e até 100% (E100) no Brasil. . Em anos de modelo mais antigos, seus sistemas de motor continham sensores de álcool nos sensores de combustível e / ou de oxigênio no escapamento que fornecem entrada para o computador de controle do motor para ajustar a injeção de combustível para obter ar estequiométrico (sem combustível residual ou oxigênio livre no escapamento) relação de combustível para qualquer mistura de combustível. Nos modelos mais novos, os sensores de álcool foram removidos, com o computador usando apenas o feedback do sensor de oxigênio e fluxo de ar para estimar o conteúdo de álcool. O computador de controle do motor também pode ajustar (antecipadamente) o tempo de ignição para obter uma saída mais alta sem pré-ignição, quando prevê que porcentagens mais altas de álcool estão presentes no combustível que está sendo queimado. Este método é apoiado por sensores de detonação avançados – usados ​​na maioria dos motores a gasolina de alta performance, independentemente de terem sido projetados para usar etanol ou não – que detectam pré-ignição e detonação.

Outras configurações do motor

Motores ED95
Desde 1989, também houve motores a etanol baseados no princípio do diesel operando na Suécia.Eles são usados ​​principalmente em ônibus urbanos, mas também em caminhões de distribuição e coletores de lixo. Os motores, fabricados pela Scania, têm uma taxa de compressão modificada, e o combustível (conhecido como ED95) usado é uma mistura de 93,6% de etanol e 3,6% de melhorador de ignição, e 2,8% de desnaturantes. O melhorador de ignição possibilita que o combustível se incendeie no ciclo de combustão do diesel. É então também possível usar a eficiência energética do princípio diesel com etanol. Esses motores foram usados ​​no Reino Unido pela Reading Buses, mas o uso de combustível de bioetanol está sendo eliminado.

Injeção direta de combustível duplo
Um estudo do MIT de 2004 e um artigo anterior publicado pela Society of Automotive Engineers identificaram um método para explorar as características do etanol combustível de maneira substancialmente mais eficiente do que misturá-lo com a gasolina. O método apresenta a possibilidade de alavancar o uso do álcool para alcançar uma melhoria definitiva sobre a relação custo-eficácia do híbrido elétrico. O aperfeiçoamento consiste no uso de injeção direta de duplo combustível de álcool puro (ou azeotropo ou E85) e gasolina, em qualquer proporção de até 100% de qualquer, em um motor de pequeno deslocamento turboalimentado e de alta taxa de compressão para um motor com o dobro do deslocamento. Cada combustível é transportado separadamente, com um tanque muito menor para o álcool. O motor de alta compressão (para maior eficiência) funciona com gasolina comum em condições de cruzeiro de baixa potência. O álcool é injetado diretamente nos cilindros (e a injeção de gasolina simultaneamente é reduzida) somente quando necessário para suprimir a “batida”, como quando se acelera significativamente. A injeção direta de cilindros eleva a já alta taxa de octano do etanol até um efetivo 130. A redução global calculada do uso de gasolina e emissão de CO2 é de 30%. O tempo de recuperação do custo do consumidor mostra uma melhoria de 4: 1 em relação ao turbo-diesel e uma melhoria de 5: 1 em relação ao híbrido. Os problemas de absorção de água em gasolina pré-misturada (causando separação de fase), problemas de fornecimento de múltiplas taxas de mistura e partida em clima frio também são evitados.

Maior eficiência térmica
Em um estudo de 2008, controles complexos do motor e aumento da recirculação dos gases de escape permitiram uma taxa de compressão de 19,5 com combustíveis variando de etanol puro a E50. Eficiência térmica até aproximadamente a mesma para um diesel foi alcançada. Isso resultaria na economia de combustível de um veículo puro de etanol a ser quase o mesmo que uma gasolina em chamas.

Células a combustível alimentadas por um reformador de etanol
Em junho de 2016, a Nissan anunciou planos para desenvolver veículos movidos a etanol movidos a etanol em vez de hidrogênio, o combustível escolhido pelos outros fabricantes de automóveis que desenvolveram e comercializaram veículos com célula de combustível, como o Hyundai Tucson FCEV, Toyota Mirai e Honda FCX Clareza. A principal vantagem dessa abordagem técnica é que seria mais barato e fácil implantar a infraestrutura de abastecimento do que a necessária para fornecer hidrogênio a altas pressões, já que cada estação de abastecimento de hidrogênio custava de US $ 1 milhão a US $ 2 milhões para ser construída.

Meio Ambiente

Equilíbrio energético
Toda a biomassa passa por pelo menos algumas dessas etapas: ela precisa ser cultivada, coletada, seca, fermentada, destilada e queimada. Todas essas etapas exigem recursos e uma infraestrutura.A quantidade total de entrada de energia no processo em comparação com a energia liberada pela queima do etanol resultante é conhecida como o balanço de energia (ou “energia retornada pela energia investida”). Os números compilados em um relatório de 2007 da National Geographic Magazine apontam para resultados modestos para o etanol de milho produzido nos EUA: uma unidade de energia de combustível fóssil é necessária para criar 1,3 unidades de energia a partir do etanol resultante. O balanço energético do etanol de cana-de-açúcar produzido no Brasil é mais favorável, com uma unidade de energia de combustível fóssil necessária para criar 8 do etanol. As estimativas de balanço de energia não são facilmente produzidas, assim numerosos relatórios foram gerados que são contraditórios. Por exemplo, uma pesquisa separada relata que a produção de etanol de cana-de-açúcar, que requer um clima tropical para crescer de maneira produtiva, retorna de 8 a 9 unidades de energia para cada unidade despendida, em comparação ao milho, que retorna apenas cerca de 1,34 unidades de energia combustível. para cada unidade de energia gasta. Um estudo de 2006 da Universidade da Califórnia em Berkeley, depois de analisar seis estudos separados, concluiu que a produção de etanol a partir do milho usa muito menos petróleo do que a produção de gasolina.

O dióxido de carbono, um gás de efeito estufa, é emitido durante a fermentação e a combustão. Isso é anulado pela maior absorção de dióxido de carbono pelas plantas à medida que crescem para produzir a biomassa. Quando comparado à gasolina, dependendo do método de produção, o etanol libera menos gases de efeito estufa.

Poluição do ar
Em comparação com a gasolina sem chumbo convencional, o etanol é uma fonte de combustível que não queima de partículas que queima com oxigênio para formar dióxido de carbono, monóxido de carbono, água e aldeídos. O Clean Air Act exige a adição de oxigenados para reduzir as emissões de monóxido de carbono nos Estados Unidos. O aditivo MTBE está atualmente sendo eliminado devido à contaminação da água do solo, portanto o etanol se torna um aditivo alternativo atraente. Os atuais métodos de produção incluem a poluição do ar pelo fabricante de fertilizantes com macronutrientes, como a amônia.

Um estudo realizado por cientistas atmosféricos da Universidade de Stanford descobriu que o combustível E85 aumentaria o risco de mortes por poluição do ar em 9% em relação à gasolina em Los Angeles, nos Estados Unidos: uma metrópole urbana muito grande, que é o pior cenário. Os níveis de ozono aumentam significativamente, aumentando assim o smog fotoquímico e agravando problemas médicos como a asma.

Dióxido de carbono

O cálculo exato de quanto dióxido de carbono é produzido na fabricação de bioetanol é um processo complexo e inexato, e é altamente dependente do método pelo qual o etanol é produzido e das suposições feitas no cálculo. Um cálculo deve incluir:

O custo de crescimento da matéria-prima
O custo de transportar a matéria-prima para a fábrica
O custo de processar a matéria-prima em bioetanol

Tal cálculo pode ou não considerar os seguintes efeitos:

O custo da mudança no uso da terra da área onde a matéria-prima de combustível é cultivada.
O custo de transporte do bioetanol da fábrica para o seu ponto de uso
A eficiência do bioetanol comparado com a gasolina padrão
A quantidade de dióxido de carbono produzido no tubo de escape.
Os benefícios devido à produção de bi-produtos úteis, como alimentação de gado ou eletricidade.

O gráfico à direita mostra os valores calculados pelo governo do Reino Unido para os fins da obrigação de combustível para transporte renovável.

Uma complicação adicional é que a produção requer o cultivo de um novo solo que produza uma liberação única de GEE, que pode levar décadas ou séculos de reduções na produção de emissões de GEE para equalizar. Como exemplo, a conversão de terras de gramíneas para a produção de milho para etanol exige um século de economia anual para compensar o GEE liberado da lavoura inicial.

Mudança no uso da terra
A agricultura em larga escala é necessária para produzir álcool agrícola e isso requer quantidades substanciais de terra cultivada. Pesquisadores da Universidade de Minnesota relatam que, se todo o milho cultivado nos EUA fosse usado para produzir etanol, ele substituiria 12% do consumo atual de gasolina dos EUA. Há alegações de que a terra para a produção de etanol é adquirida através do desmatamento, enquanto outras observaram que as áreas que atualmente sustentam as florestas geralmente não são adequadas para o cultivo. Em qualquer caso, a agricultura pode envolver um declínio na fertilidade do solo devido à redução da matéria orgânica, uma diminuição na disponibilidade e qualidade da água, um aumento no uso de pesticidas e fertilizantes e potencial deslocamento das comunidades locais. A nova tecnologia permite que agricultores e processadores produzam cada vez mais a mesma produção usando menos insumos.

A produção de etanol celulósico é uma nova abordagem que pode aliviar o uso da terra e preocupações relacionadas. O etanol celulósico pode ser produzido a partir de qualquer material vegetal, potencialmente dobrando o rendimento, em um esforço para minimizar o conflito entre as necessidades alimentares e as necessidades de combustível. Em vez de utilizar apenas os subprodutos do amido da moagem do trigo e de outras culturas, a produção de etanol celulósico maximiza o uso de todos os materiais vegetais, incluindo o glúten. Essa abordagem teria uma pegada de carbono menor, porque a quantidade de fertilizantes e fungicidas com uso intensivo de energia permanece a mesma para maior produção de material utilizável. A tecnologia para produção de etanol celulósico está atualmente em fase de comercialização.

Usando biomassa para eletricidade em vez de etanol
A conversão de biomassa em eletricidade para carregar veículos elétricos pode ser uma opção de transporte mais “amiga do clima” do que usar biomassa para produzir etanol, segundo uma análise publicada na revista Science em maio de 2009. Pesquisadores continuam buscando desenvolvimentos mais rentáveis ​​em celulose etanol e baterias avançadas de veículos.

Custos de saúde das emissões de etanol
Para cada mil milhões de litros equivalentes de etanol de combustível produzido e queimado nos EUA, os custos combinados de mudança climática e saúde são de US $ 469 milhões para gasolina, US $ 472 a US $ 952 para etanol de milho dependendo da fonte de calor da biorrefinaria (gás natural, palha de milho ou carvão) e tecnologia, mas apenas US $ 123–208 milhões para o etanol celulósico, dependendo da matéria-prima (biomassa da pradaria, Miscanthus, palha de milho ou switchgrass).

Eficiência das culturas comuns
À medida que a produção de etanol melhora ou diferentes matérias-primas são introduzidas, a produção de etanol pode se tornar economicamente mais viável nos EUA. Atualmente, pesquisas sobre a melhoria da produção de etanol de cada unidade de milho estão em andamento usando a biotecnologia. Além disso, enquanto os preços do petróleo continuarem altos, o uso econômico de outras matérias-primas, como a celulose, se tornará viável. Subprodutos como palha ou aparas de madeira podem ser convertidos em etanol. Espécies de rápido crescimento, como o switchgrass, podem ser cultivadas em terras não adequadas para outras culturas comerciais e geram altos níveis de etanol por unidade de área.

Colheita	Rendimento anual (litros / hectare, galão / acre dos EUA)	Economias de gases com efeito de estufa vs gasolina[a]	Comentários
Cana de açúcar	6800–8000 L / ha, 727–870 g / acre	87% –96%	Grama anual de longa temporada. Usado como matéria-prima para a maior parte do bioetanol produzido no Brasil. As usinas de processamento mais novas queimam resíduos não utilizados pelo etanol para gerar eletricidade. Cresce apenas em climas tropicais e subtropicais.
Miscanthus	7300 L / ha, 780 g / acre	37% –73%	Grama perene de baixa entrada. A produção de etanol depende do desenvolvimento da tecnologia celulósica.
Switchgrass	3100-7600 L / ha, 330 a 810 g / acre	37% –73%	Grama perene de baixa entrada. A produção de etanol depende do desenvolvimento da tecnologia celulósica. Esforços de criação em andamento para aumentar os rendimentos. Maior produção de biomassa possível com espécies mistas de gramíneas perenes.
Álamo	3700–6000 L / ha, 400 a 640 g / acre	51% a 100%	Árvore de crescimento rápido. A produção de etanol depende do desenvolvimento da tecnologia celulósica. A conclusão do projeto de sequenciamento genômico ajudará os esforços de melhoramento para aumentar os rendimentos.
Sorgo doce	2500–7000 L / ha, 270 a 750 g / acre	Sem dados	Grama anual de baixa entrada. Produção de etanol é possível usando a tecnologia existente. Cresce em climas tropicais e temperados, mas as maiores estimativas de rendimento de etanol assumem múltiplas safras por ano (possível somente em climas tropicais). Não armazena bem.
Milho	3100–4000 L / ha, 330–424 g / acre	10% a 20%	Grama anual de alta entrada. Usado como matéria-prima para a maioria dos bioetanol produzidos nos EUA. Somente kernels podem ser processados ​​usando a tecnologia disponível; O desenvolvimento da tecnologia celulósica comercial permitiria a utilização de resíduos e aumentaria o rendimento do etanol em 1.100 – 2.000 litros / ha.
Fonte: Nature 444 (7 de dezembro de 2006): 673–676.  – Poupança de emissões de GEE, sem mudança de uso da terra (usando terras de cultivo existentes).

Redução de importações e custos de petróleo
Uma justificativa dada para a produção extensiva de etanol nos EUA é seu benefício para a segurança energética, ao transferir a necessidade de algum petróleo produzido no exterior para fontes de energia produzidas internamente. A produção de etanol requer energia significativa, mas a produção atual dos EUA obtém a maior parte dessa energia de carvão, gás natural e outras fontes, em vez de petróleo. Como 66% do petróleo consumido nos EUA é importado, comparado a um superávit líquido de carvão e apenas 16% do gás natural (dados de 2006), o deslocamento de combustíveis à base de petróleo para etanol produz uma mudança líquida de estrangeira para doméstica. fontes de energia.

De acordo com uma análise de 2008 da Universidade Estadual de Iowa, o crescimento da produção de etanol nos EUA fez com que os preços da gasolina no varejo ficassem entre US $ 0,29 e US $ 0,40 por galão mais baixos do que seria o caso.

Pesquisa
A pesquisa do etanol se concentra em fontes alternativas, novos catalisadores e processos de produção. A INEOS produziu etanol a partir de material vegetativo e resíduos de madeira. A bactéria E. coli, quando geneticamente modificada com genes e enzimas do rúmen de vaca, pode produzir etanol a partir de palha de milho. Outras matérias-primas potenciais são resíduos urbanos, produtos reciclados, cascas de arroz, bagaço de cana, lascas de madeira, switchgrass e dióxido de carbono.