Этаноловое топливо

Этаноловым топливом является этиловый спирт, тот же тип спирта, который содержится в алкогольных напитках, используемый в качестве топлива. Он чаще всего используется в качестве моторного топлива, главным образом в качестве добавки биотоплива для бензина.Первый серийный автомобиль, полностью работающий на этаноле, был Fiat 147, представленный в 1978 году в Бразилии Fiat. Этанол обычно изготавливают из биомассы, такой как кукуруза или сахарный тростник. Мировое производство этанола для транспортного топлива утроилось в период с 2000 по 2007 год с 17 × 109 литров (4,5 × 109 галлонов США, 3,7 × 109 имп. Галлов) до более чем 52 × 109 литров (1,4 × 1010 США галлон, 1,1 × 1010 имп гал).С 2007 по 2008 год доля этанола в мировом топливном топливе увеличилась с 3,7% до 5,4%. В 2011 году мировое производство этанолового топлива достигло 8,46 × 1010 литров (2,23 × 1010 галлонов США, 1,86 × 1010 имп гал), а Соединенные Штаты Америки и Бразилия являются ведущими производителями, на долю которых приходится 62,2% и 25% мирового производства соответственно. Производство этанола в США достигло 57,54 × 109 литров (1,520 × 1010 США галлон, 1,266 × 1010 имп гал) в 2017-04 годах.

Топливо этанола имеет эквивалент «эквивалент бензинового галлона» (ГЭГ) 1,5, т. Е. Для замены энергии 1 объема бензина, в 1,5 раза больше объема этанола.

Этанол-смешанное топливо широко используется в Бразилии, США и Европе (см. Также топливо этанола по странам). Большинство автомобилей на дороге сегодня в США могут работать на смеси до 10% этанола, а этанол составляет 10% от объема поставок бензина в США из внутренних источников в 2011 году. Кроме того, многие автомобили сегодня являются автомобилями с гибким топливом, способными используйте 100% этанольное топливо.

С 1976 года бразильское правительство обязало смешивать этанол с бензином, а с 2007 года правовая смесь составляет около 25% этанола и 75% бензина (E25). К декабрю 2011 года в Бразилии был флот из 14,8 миллионов автомобилей с гибким топливом и легких грузовиков и 1,5 миллиона мотоциклов с гибким топливом, которые регулярно используют аккуратное топливо для этанола (известное как E100).

Биоэтанол представляет собой форму возобновляемой энергии, которая может быть получена из сельскохозяйственного сырья. Это может быть сделано из очень распространенных культур, таких как конопля, сахарный тростник, картофель, маниока и кукуруза. Произошли значительные споры о том, как полезный биоэтанол заменяет бензин. Озабоченность его производством и использованием связана с ростом цен на продовольствие из-за большого количества пахотных земель, необходимых для посевов, а также баланса энергии и загрязнения всего цикла производства этанола, особенно из кукурузы. Недавние разработки в области производства и коммерциализации целлюлозного этанола могут смягчить некоторые из этих проблем.

Целлюлозный этанол предлагает обещание, потому что целлюлозные волокна, основной и универсальный компонент в стенах растительных клеток, могут быть использованы для производства этанола. По данным Международного энергетического агентства, целлюлозный этанол может позволить этанольному топливу играть гораздо большую роль в будущем.

Химия
Во время ферментации этанола глюкоза и другие сахара в кукурузе (или сахарном тростнике или других культурах) превращаются в этанол и двуокись углерода.

6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + тепло
Этанольная ферментация не является 100% -ной селективной с побочными продуктами, такими как уксусная кислота и гликоли. В основном они удаляются при очистке этанолом.Ферментация происходит в водном растворе. Полученный раствор имеет содержание этанола около 15%. Затем этанол выделяют и очищают комбинацией адсорбции и дистилляции.

Во время горения этанол реагирует с кислородом для получения двуокиси углерода, воды и тепла:

2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O + тепло
Молекулы крахмала и целлюлозы являются струнами молекул глюкозы. Также возможно выработать этанол из целлюлозных материалов. Это, однако, требует предварительной обработки, которая разделяет целлюлозу на молекулы глюкозы и другие сахара, которые впоследствии могут быть ферментированы. Полученный продукт называется целлюлозным этанолом, указывая на его источник.

Этанол также получают промышленно из этилена путем гидратации двойной связи в присутствии катализатора и высокой температуры.

2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH
Большинство этанола получают путем ферментации.

источники
Около 5% этанола, произведенного в мире в 2003 году, фактически было нефтепродуктом. Он производится каталитической гидратацией этилена серной кислотой в качестве катализатора.Его также можно получить через этилен или ацетилен, из карбида кальция, угля, нефтяного газа и других источников. Два миллиона коротких тонн (1 726 000 тонн, 1 814 000 тонн) этанола, полученного из нефти, производятся ежегодно. Основными поставщиками являются заводы в Соединенных Штатах, Европе и Южной Африке. Этанол, полученный из нефти (синтетический этанол), химически идентичен биоэтанолу и может быть дифференцирован только радиоуглеродным датированием.

Биоэтанол обычно получают из конверсии исходного материала на основе углерода.Сельскохозяйственное сырье считается возобновляемым, поскольку они получают энергию от солнца с использованием фотосинтеза при условии, что все минералы, необходимые для роста (такие как азот и фосфор), возвращаются на землю. Этанол может быть получен из различных видов сырья, таких как сахарный тростник, мешочек, микшантус, сахарная свекла, сорго, зерно, перец, ячмень, конопля, кенаф, картофель, сладкий картофель, маниока, подсолнечник, фрукты, меласса, кукуруза, зерно, пшеница, солома, хлопок, другая биомасса, а также многие виды отходов и сбора целлюлозы, в зависимости от того, какая из них лучше всего подходит для оценки.

Альтернативный процесс производства биоэтанола из водорослей разрабатывается компанией Algenol. Вместо того, чтобы выращивать водоросли, а затем собирать и бродить, водоросли растут в солнечном свете и непосредственно производят этанол, который удаляется, не убивая водоросли. Утверждается, что этот процесс может производить 6 000 галлонов США на акр (5000 имперских галлонов на акр, 56 000 литров на гектар) в год по сравнению с 400 галлонами США на акр (330 имп. Гал / акр, 3700 л / га) для производства кукурузы.

В настоящее время в процессах первого поколения для производства этанола из кукурузы используется лишь небольшая часть кукурузного завода: ядра кукурузы берутся с кукурузного растения, и только крахмал, который составляет около 50% сухой массы ядра, трансформируется в этанол. В настоящее время разрабатываются два типа процессов второго поколения. Первый тип использует ферменты и дрожжевую ферментацию для превращения растительной целлюлозы в этанол, в то время как второй тип использует пиролиз для превращения всего растения в жидкое биомасляное масло или синтез-газ. Процессы второго поколения могут также использоваться с такими растениями, как травы, древесные или сельскохозяйственные отходы, такие как солома.

производство
Хотя существуют различные способы получения этанолового топлива, наиболее распространенным способом является ферментация.

Основными этапами крупномасштабного производства этанола являются: микробная (дрожжевая) ферментация сахаров, дистилляция, обезвоживание (требования различаются, см. Смесей смесей этанола ниже) и денатурирование (необязательно). Перед ферментацией некоторые культуры требуют осахаривания или гидролиза углеводов, таких как целлюлоза и крахмал, в сахары. Сахарификация целлюлозы называется целлюлизом (см. Целлюлозный этанол). Ферменты используются для превращения крахмала в сахар.

Ферментация
Этанол производится путем микробной ферментации сахара. В настоящее время микробная ферментация работает непосредственно с сахарами. Два основных компонента растений, крахмал и целлюлоза сделаны из сахара, и в принципе они могут быть превращены в сахара для ферментации. В настоящее время могут быть экономически конвертированы только сахар (например, сахарный тростник) и крахмал (например, кукуруза). Существует много активности в области целлюлозного этанола, где целлюлозная часть растения разрушается до сахаров и затем превращается в этанол.

дистилляция
Чтобы этанол использовался в качестве топлива, твердые частицы дрожжей и большая часть воды должны быть удалены. После ферментации пюре нагревают до испарения этанола. Этот процесс, известный как дистилляция, разделяет этанол, но его чистота ограничена 95-96% из-за образования низкокипящего азеотропа вода-этанол с максимальным (95,6% м / м (96,5% об. / Об.) Этанола и 4,4% м / м (3,5% по объему) воды). Эта смесь называется водным этанолом и может быть использована только в качестве топлива, но в отличие от безводного этанола водный этанол не смешивается во всех соотношениях с бензином, поэтому водную фракцию обычно удаляют при дальнейшей обработке для сжигания в сочетании с бензином в бензиновых двигателях ,

дегидратация
Существует три процесса дегидратации для удаления воды из азеотропной смеси этанол / вода. Первый процесс, используемый на многих ранних этажах топливного этанола, называется азеотропной дистилляцией и состоит из добавления в смесь бензола или циклогексана. Когда эти компоненты добавляются к смеси, она образует гетерогенную азеотропную смесь в равновесии между парожидкостью и жидкостью, которая при дистиллировании дает безводный этанол в нижней части колонны и паровую смесь воды, этанола и циклогексана / бензола.

При конденсировании это становится двухфазной жидкой смесью. Более тяжелая фаза, плохое в поглотителе (бензоле или циклогексане), лишается энханнера и возвращается в исходное сырье, а более легкая фаза с конденсатом из отгонки рециркулируется во вторую колонну. Другой ранний метод, называемый экстрактивной дистилляцией, состоит из добавления тройного компонента, который увеличивает относительную летучесть этанола.Когда тройная смесь перегоняется, она образует безводный этанол в верхнем потоке колонны.

С увеличением внимания уделяется экономии энергии, было предложено много методов, чтобы избежать полной дистилляции для обезвоживания. Из этих методов появился третий метод, который был принят большинством современных этанольных установок. Этот новый процесс использует молекулярные сита для удаления воды из топливного этанола. В этом процессе пары этанола под давлением проходят через слой гранул молекулярного сита. Поры борта имеют размеры, позволяющие адсорбировать воду, исключая этанол. Через некоторое время слой регенерируют под вакуумом или в потоке инертной атмосферы (например, N2) для удаления адсорбированной воды. Часто используются две кровати, чтобы можно было адсорбировать воду, а другая – регенерирована. Эта технология обезвоживания может объяснять экономию энергии 3000 бт / галлон (840 кДж / л) по сравнению с ранее азеотропной дистилляцией.

Недавние исследования показали, что полное обезвоживание перед смешиванием с бензином не всегда необходимо. Вместо этого азеотропную смесь можно смешивать непосредственно с бензином, так что равновесие между жидкостью и жидкостью может помочь в устранении воды. Двухступенчатая противоточная установка резервуаров смесителя-отстойника может обеспечить полное извлечение этанола в топливную фазу с минимальным потреблением энергии.

Постпроизводственные проблемы с водой
Этанол гигроскопичен, то есть он поглощает водяной пар непосредственно из атмосферы.Поскольку поглощенная вода разбавляет топливное значение этанола и может вызвать фазовое разделение смесей этанол-бензин (что вызывает остановку двигателя), контейнеры с этаноловым топливом должны быть плотно закрыты. Эта высокая смешиваемость с водой означает, что этанол не может быть эффективно отправлен через современные трубопроводы, такие как жидкие углеводороды, на большие расстояния.

Доля воды, которую может содержать топливо этанол-бензин без разделения фаз, увеличивается с процентным соотношением этанола. Например, E30 может содержать до 2% воды. Если присутствует более 71% этанола, остальная часть может составлять любую долю воды или бензина, и фазового разделения не происходит. Пропуск топлива уменьшается с увеличением содержания воды. Повышенная растворимость воды с более высоким содержанием этанола позволяет вводить E30 и гидратированный этанол в один и тот же резервуар, поскольку любая их комбинация всегда приводит к одной фазе. Несколько меньше воды допускается при более низких температурах. Для E10 он составляет около 0,5% об. / Об. При 21 ° C и уменьшается примерно до 0,23% об. / Об. При -34 ° C.

Системы потребительского производства
В то время как системы производства биодизеля были проданы домашним и бизнес-пользователям в течение многих лет, коммерческие системы производства этанола, предназначенные для конечного потребителя, отставали на рынке. В 2008 году две разные компании объявили о создании систем производства этанола в домашних условиях.Расширенная топливная система AFS125 от Allard Research and Development способна производить как этанол, так и биодизель на одной машине, в то время как E-100 MicroFueler от E-Fuel Corporation относится только к этанолу.

Двигатели

Экономия топлива
Этанол содержит ок. На 34% меньше энергии на единицу объема, чем на бензине, и поэтому теоретически, сжигание чистого этанола в транспортном средстве уменьшает километры за галлон США на 34% при той же экономии топлива по сравнению с сжиганием чистого бензина.Однако, поскольку этанол обладает более высоким октановым числом, двигатель можно повысить, повысив его коэффициент сжатия. Используя переменную геометрию или турбокомпрессор с двумя прокрутками, коэффициент сжатия может быть оптимизирован для топлива, что делает экономию топлива почти постоянной для любой смеси.

Для E10 (10% этанола и 90% бензина) эффект небольшой (~ 3%) по сравнению с обычным бензином и даже меньшим (1-2%) по сравнению с кислородсодержащими и переформулированными смесями. Для E85 (85% этанола) эффект становится значительным.E85 производит более низкий пробег, чем бензин, и требует более частых заправок.Фактическая производительность может варьироваться в зависимости от автомобиля. На основе тестов EPA для всех моделей E85 2006 года средняя экономия топлива для автомобилей E85 была на 25,56% ниже, чем неэтилированный бензин. При проведении сопоставлений цен следует учитывать пробег по EPA на современных транспортных средствах с гибким топливом Соединенных Штатов, но E85 – высокоэффективное топливо с октановым числом около 94-96 и должно сравниваться с премией.

Холодный старт зимой
Высокие смеси этанола создают проблему для достижения достаточного давления пара для испарения топлива и зажигания зажигания в холодную погоду (поскольку этанол имеет тенденцию к увеличению энтальпии испарения топлива). Когда давление паров ниже 45 кПа, запуск холодного двигателя становится затруднительным. Чтобы избежать этой проблемы при температуре ниже 11 ° C (52 ° F) и для снижения уровня выбросов этанола в холодную погоду, как на американском, так и на европейском рынках, E85 является максимальной смесью, используемой в их гибких топливных транспортных средствах, и они оптимизированы для работы в такой смеси. В местах с суровой холодной погодой смесь этанола в США имеет сезонное снижение до E70 для этих очень холодных регионов, хотя она по-прежнему продается как E85. В местах, где зимой температура опускается ниже -12 ° C (10 ° F), рекомендуется установить систему обогрева двигателя, как для бензина, так и для автомобилей E85. Швеция имеет аналогичное сезонное сокращение, но содержание этанола в смеси сокращается до E75 в зимние месяцы.

Бразильские транспортные средства с гибким топливом могут работать с этановыми смесями до E100, который представляет собой водный этанол (с водой до 4%), что приводит к падению давления паров быстрее по сравнению с автомобилями E85. В результате бразильские гибкие транспортные средства построены с небольшим вторичным бензиновым резервуаром, расположенным рядом с двигателем. Во время холодного запуска вводится чистый бензин, чтобы избежать проблем при низких температурах. Это положение особенно необходимо для пользователей южных и центральных регионов Бразилии, где температура обычно опускается ниже 15 ° C (59 ° F) в течение зимы. В 2009 году была выпущена усовершенствованная генерация гибких двигателей, которая устраняет необходимость в резервуаре для хранения вторичного газа. В марте 2009 года Volkswagen do Brasil запустила модель Polo E-Flex, первую бразильскую модель с гибким топливом без вспомогательного бака для холодного запуска.

Топливные смеси
Во многих странах автомобили должны работать на смеси этанола. Все бразильские легкие транспортные средства построены для использования в смеси этанола до 25% (E25), а с 1993 года федеральный закон требует смесей от 22 до 25% этанола, причем 25% требуется по состоянию на середину июля 2011 года. Соединенные Штаты все легкие транспортные средства созданы для нормальной работы с смесью этанола 10% (E10). В конце 2010 года более 90 процентов всего проданного в США бензина смешивали с этанолом. В январе 2011 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) выпустило отказ от разрешения до 15% этанола, смешанного с бензином (E15), который будет продаваться только для автомобилей и легких пикапов с модельным годом 2001 года или новее.

Начиная с 1999 модельного года все большее число автомобилей в мире изготавливается с двигателями, которые могут работать на любом топливе с 0% этанолом до 100% этанола без модификации. Многие автомобили и легкие грузовики (класс, состоящий из минивэнов, внедорожников и пикапов) предназначены для использования в транспортных средствах с гибким топливом с использованием смеси этанола до 85% (E85) в Северной Америке и Европе и до 100% (E100) в Бразилии , В более ранние летние модели двигатели содержали спиртовые датчики в датчиках топлива и / или кислорода в выхлопных газах, которые обеспечивают входной сигнал на компьютер управления двигателем, чтобы регулировать впрыск топлива для достижения стехиометрического (без остаточного топлива или свободного кислорода в выхлопном воздухе) -to-fuel для любой топливной смеси. В новых моделях датчики спирта были удалены, а компьютер использовал только обратную связь с датчиком кислорода и воздушного потока для оценки содержания алкоголя. Компьютер управления двигателем также может регулировать (ускорять) время зажигания для достижения более высокой мощности без предварительного зажигания, когда он прогнозирует, что в сжигаемом топливе присутствует более высокий процент спирта. Этот метод подкрепляется современными датчиками детонации – используется в большинстве высокоэффективных бензиновых двигателей независимо от того, предназначены ли они для использования этанола или нет, – которые обнаруживают предварительное зажигание и детонацию.

Другие конфигурации двигателя

Двигатели ED95
С 1989 года также существуют этанольные двигатели, основанные на дизельном принципе, действующем в Швеции. Они используются главным образом в городских автобусах, а также в распределительных тележках и сборщиках отходов. Двигатели, изготовленные Scania, имеют модифицированную степень сжатия, а используемое топливо (известное как ED95) представляет собой смесь 93,6% этанола и 3,6% улучшителя воспламенения и 2,8% денатуратов. Усовершенствование зажигания позволяет топливу воспламениться в цикле сгорания дизельного топлива. Тогда также можно использовать энергетическую эффективность дизельного принципа с этанолом. Эти двигатели использовались в Соединенном Королевстве в магазинах Reading Buses, но использование биоэтанолового топлива теперь постепенно прекращается.

Прямое впрыскивание с двойным топливом
В исследовании Массачусетского технологического института за 2004 год и в более ранней публикации, опубликованной Обществом автомобильных инженеров, был определен способ использования характеристик топливного этанола существенно более эффективно, чем смешивание его с бензином. Метод представляет возможность использования алкоголя для достижения определенного улучшения над экономической эффективностью гибридного электрооборудования. Улучшение состоит в использовании прямого впрыска двойного топлива с чистым спиртом (или азеотропом или E85) и бензином в любом соотношении до 100% либо в турбированном, с высоким коэффициентом сжатия, маломоторном двигателе с аналогичным к двигателю, имеющему удвоенное смещение. Каждое топливо транспортируется отдельно, с гораздо меньшим резервуаром для алкоголя. Двигатель с высоким сжатием (для более высокой эффективности) работает на обычном бензине в условиях маломощного круиза.Алкоголь непосредственно впрыскивается в цилиндры (и одновременно снижается впрыск бензина) только в случае необходимости для подавления «стука», например, при значительном ускорении. Прямой впрыск в цилиндр повышает высоту октанового уровня этанола до эффективного значения 130. Рассчитанное общее снижение использования бензина и выбросов CO2 составляет 30%. Время окупаемости потребительской стоимости показывает улучшение 4: 1 по сравнению с турбодизелем и улучшение на 5: 1 по сравнению с гибридом. Также устраняются проблемы водопоглощения в предварительно смешанный бензин (вызывая разделение фаз), проблемы с подачей многократных соотношений смеси и холодный запуск.

Повышенная тепловая эффективность
В исследовании 2008 года комплексное управление двигателем и повышенная рециркуляция выхлопных газов позволили обеспечить коэффициент сжатия 19,5 с топливом от чистого этанола до E50. Достигнута тепловая эффективность до примерно того, что для дизеля. Это приведет к тому, что экономия топлива аккуратного носителя этанола будет примерно такой же, как один горящий бензин.

Топливные элементы, питаемые реформатором этанола
В июне 2016 года компания Nissan объявила о планах по разработке автомобилей на топливных элементах, работающих на этаноле, а не на водороде, что является предпочтительным для других производителей автомобилей, которые разработали и коммерциализировали транспортные средства на топливных элементах, такие как Hyundai Tucson FCEV, Toyota Mirai и Honda FCX Ясность. Основным преимуществом этого технического подхода является то, что было бы дешевле и проще развертывать топливную инфраструктуру, чем создание необходимого для доставки водорода при высоких давлениях, поскольку каждая водородная заправочная станция стоила от 1 до 2 миллионов долларов США для строительства.

Среда

Энергетический баланс
Вся биомасса проходит по крайней мере некоторые из этих этапов: ее нужно выращивать, собирать, высушивать, ферментировать, перегонять и сжигать. Все эти шаги требуют ресурсов и инфраструктуры. Общий объем ввода энергии в процесс по сравнению с энергией, выделяемой при сжигании образовавшегося этанольного топлива, известен как энергетический баланс (или «энергия, возвращаемая на вложенную энергию»). Цифры, собранные в отчете National Geographic 2007 года, указывают на скромные результаты по производству этанола кукурузы в США: для получения 1,3 энергетических единиц из полученного этанола требуется одна единица энергии ископаемого топлива. Энергетический баланс для этанола сахарного тростника, произведенного в Бразилии, более благоприятен, причем одна единица энергии ископаемого топлива требуется для создания 8 из этанола. Оценки энергетического баланса нелегко вырабатываются, поэтому появилось множество таких отчетов, которые противоречивы. Например, в отдельном исследовании сообщается, что производство этанола из сахарного тростника, которое требует благоприятного роста тропического климата, возвращается от 8 до 9 единиц энергии для каждого израсходованных единиц, по сравнению с кукурузой, которая возвращает только около 1,34 единицы топливной энергии для каждой единицы энергии. В исследовании Университета Калифорнии в Беркли в 2006 году, проанализировав шесть отдельных исследований, пришел к выводу, что производство этанола из кукурузы использует гораздо меньше нефти, чем производство бензина.

В процессе ферментации и сжигания выделяется двуокись углерода, парниковый газ. Это отменяется большим поглощением углекислого газа растениями, поскольку они растут для производства биомассы. По сравнению с бензином, в зависимости от способа производства, этанол выделяет меньше парниковых газов.

Загрязнение воздуха
По сравнению с обычным неэтилированным бензином этанол является источником сжигания топлива без частиц, который сжигает кислород с образованием двуокиси углерода, моноксида углерода, воды и альдегидов. Закон о чистом воздухе требует добавления оксигенатов для снижения выбросов окиси углерода в Соединенных Штатах. Добавка MTBE в настоящее время постепенно прекращается из-за загрязнения грунтовых вод, поэтому этанол становится привлекательной альтернативной добавкой. Современные методы производства включают загрязнение воздуха от производителя макроэлементов, таких как аммиак.

Исследование, проведенное учеными из атмосферы в Стэнфордском университете, показало, что топливо E85 увеличило бы риск смертности от загрязнения воздуха по сравнению с бензином на 9% в Лос-Анджелесе, США: очень большой городской, автомобильный мегаполис, что является наихудшим сценарием. Уровни озона значительно увеличены, тем самым увеличивая фотохимический смог и обостряя медицинские проблемы, такие как астма.

Углекислый газ

Расчет того, сколько углекислого газа производится при производстве биоэтанола, является сложным и неточным процессом и сильно зависит от способа получения этанола и допущений, сделанных при расчете. Расчет должен включать:

Стоимость выращивания сырья
Стоимость транспортировки сырья на заводе
Стоимость переработки сырья в биоэтанол

Такой расчет может включать или не учитывать следующие эффекты:

Стоимость изменения землепользования в районе, где выращивается топливное сырье.
Стоимость транспортировки биоэтанола с завода до точки его использования
Эффективность биоэтанола по сравнению со стандартным бензином
Количество диоксида углерода, образующегося на хвостовой трубе.
Преимущества, связанные с производством полезных биологических продуктов, таких как корм для скота или электричество.

На графике справа показаны данные, рассчитанные правительством Великобритании для целей обязательства Возобновляемого транспортного топлива.

Дополнительным осложнением является то, что производство требует обработки новой почвы, которая производит одноразовое выделение ПГ, что может потребовать десятилетия или столетия сокращения производства в выбросах парниковых газов для выравнивания. В качестве примера, превращение травяных земель в производство кукурузы для этанола занимает около столетия ежегодных сбережений, чтобы компенсировать выбросы парниковых газов из первоначальной обработки.

Изменения в землепользовании
Крупномасштабное сельское хозяйство необходимо для производства сельскохозяйственного алкоголя, и для этого требуется значительное количество обрабатываемых земель.Исследователи из Университета Миннесоты сообщают, что если бы вся кукуруза, выращенная в США, использовалась для производства этанола, она бы вытеснила 12% текущего потребления бензина в США. Утверждается, что земля для производства этанола приобретается путем обезлесения, в то время как другие отмечают, что районы, которые в настоящее время поддерживают леса, обычно не подходят для выращивания сельскохозяйственных культур. В любом случае сельское хозяйство может включать снижение плодородия почв из-за сокращения органического вещества, снижения доступности и качества воды, увеличения использования пестицидов и удобрений и потенциального дислокации местных общин. Новые технологии позволяют фермерам и переработчикам все чаще производить одинаковый выпуск с меньшими затратами.

Производство целлюлозного этанола является новым подходом, который может облегчить использование земли и связанные с этим проблемы. Целлюлозный этанол может быть получен из любого растительного материала, что потенциально удваивает урожайность, с тем чтобы минимизировать конфликт между потребностями в пище и потребностями в топливе.Вместо использования только побочных продуктов крахмала из измельчения пшеницы и других культур производство целлюлозного этанола максимизирует использование всех растительных материалов, включая клейковину. Такой подход будет иметь меньший углеродный след, поскольку количество энергоемких удобрений и фунгицидов остается неизменным для более высокой производительности пригодного для использования материала. Технология производства целлюлозного этанола в настоящее время находится на стадии коммерциализации.

Использование биомассы для электричества вместо этанола
Согласно анализу, опубликованному в Science в мае 2009 года, преобразование биомассы в электричество для зарядки электрических транспортных средств может быть более «благоприятным для климата» вариантом транспортировки, чем использование биомассы для производства этанолового топлива. Исследователи продолжают искать более рентабельные разработки как в целлюлозных этанола и современных автомобильных аккумуляторов.

Расходы на здравоохранение в отношении выбросов этанола
Для каждого миллиарда эталон-эквивалентных галлонов топлива, произведенного и сжигаемого в США, совокупные затраты на изменение климата и здравоохранение составляют 469 млн. Долл. США для бензина, 472-952 млн. Долл. США для этанола кукурузы в зависимости от источника тепла биоресурсов (природный газ, кукуруза или уголь) и технологии, но только 123-208 млн. долл. США для целлюлозного этанола в зависимости от исходного сырья (биомассы прерий, Miscanthus, кукурузная пена или свинец).

Эффективность общих культур
По мере повышения выхода этанола или введения различных исходных материалов производство этанола может стать более экономически осуществимым в США. В настоящее время исследования по улучшению выхода этанола из каждой единицы кукурузы осуществляются с использованием биотехнологии. Кроме того, до тех пор, пока цены на нефть останутся высокими, экономичное использование другого сырья, такого как целлюлоза, станет жизнеспособным. Побочные продукты, такие как солома или древесная щепа, могут быть превращены в этанол. Быстрорастущие виды, такие как свинец, могут выращиваться на суше, не пригодной для других товарных культур, и дают высокий уровень этанола на единицу площади.

урожай Годовой доход (литры / га, США гал / акр) Экономия парниковых газов
против бензина [a]
Комментарии
Карамельная тросточка 6800-8000 л / га,
727-870 г / акр
87% -96% Долгосрочная годовая трава. Используется в качестве исходного сырья для большинства биоэтанолов, произведенных в Бразилии. Новые очистные сооружения сжигают остатки, которые не используются для этанола для выработки электроэнергии. Растет только в тропическом и субтропическом климате.
Miscanthus 7300 л / га,
780 г / акр
37% -73% Низкая входная многолетняя трава. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии.
Просо 3100-7600 л / га,
330-810 г / акр
37% -73% Низкая входная многолетняя трава. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии. В настоящее время ведутся усилия по увеличению урожайности. Возможно производство более высокой биомассы со смешанными разновидностями многолетних трав.
Тополь 3700-6000 л / га,
400-640 г / акр
51% -100% Быстрорастущее дерево. Производство этанола зависит от развития целлюлозной технологии. Завершение проекта геномного секвенирования поможет селекционным усилиям увеличить урожайность.
Сладкий сорго 2500-7000 л / га,
270-750 г / акр
Нет данных Низкая входная годовая трава. Производство этанола возможно с использованием существующей технологии. Растет в тропическом и умеренном климате, но высокие оценки урожайности этанола предполагают наличие нескольких культур в год (возможно только в тропическом климате). Не хранится хорошо.
Кукуруза 3100-4000 л / га,
330-424 г / акр
10% -20% Высокая годовая трава. Используется в качестве исходного сырья для большинства биоэтанолов, произведенных в США. Только ядра могут обрабатываться с использованием доступной технологии; разработка коммерческой целлюлозной технологии позволит использовать плит и увеличить выход этанола на 1100-2000 литров / га.
Источник: Nature 444 (7 декабря 2006 года): 673-676. 
– Экономия выбросов парниковых газов при отсутствии изменений в землепользовании (с использованием существующих сельскохозяйственных земель).

Сокращение импорта и расходов на нефть
Одним из основополагающих аргументов в пользу обширного производства этанола в США является его преимущество в обеспечении энергетической безопасности путем изменения потребности в какой-либо иностранной нефти, произведенной в отечественных источниках энергии. Для производства этанола требуется значительная энергия, но текущее производство в США извлекает большую часть этой энергии из угля, природного газа и других источников, а не из нефти. Поскольку импортировано 66% потребляемой в США нефти, по сравнению с чистым профицитом угля и только 16% природного газа (данные за 2006 год), смещение нефтяных топлив в этанол приводит к чистому переходу от иностранных к внутренним США источники энергии.

Согласно анализу 2008 года в Университете штата Айова, рост производства этанола в США привел к тому, что розничные цены на бензин составят 0,29 доллара США до 0,40 доллара США за галлон ниже, чем в противном случае.

Исследование
Исследования этанола сосредоточены на альтернативных источниках, новых катализаторах и производственных процессах. INEOS выпускает этанол из растительного материала и древесных отходов. Бактерия E.coli, генетически модифицированная генами и ферментами коровы, может продуцировать этанол из кукурузы. Другим потенциальным сырьем являются муниципальные отходы, переработанные продукты, рисовые корпуса, сахарный тростник, древесная щепа, перекись углерода и двуокись углерода.