纤维素乙醇(Cellulosic ethanol)是一种由木质纤维素生产的生物燃料，木质纤维素是一种包含大量植物的结构材料。 木质纤维素主要由纤维素，半纤维素和木质素组成。 玉米秸秆，Panicum virgatum（柳枝稷），芒草种类，木屑以及草坪和树木维护的副产品是用于乙醇生产的一些更受欢迎的纤维素材料。 与诸如玉米和甘蔗糖之类的来源相比，从木质纤维素生产乙醇具有丰富且多样化的原料的优点，但是需要更大量的加工以使糖单体可用于通常用于通过发酵生产乙醇的微生物。

柳枝稷和芒草是目前研究的主要生物质材料，因为它们每英亩的生产力很高。 然而，纤维素几乎包含在世界各地的草地，森林和田地中的每一种天然的，自由生长的植物，树木和灌木中，而不需要农业努力或使其生长所需的成本。

纤维素乙醇的一个好处是它比新配方汽油减少了85％的温室气体排放（GHG）。 相比之下，最常使用天然气为该过程提供能量的淀粉乙醇（例如来自玉米）可能根本不会减少温室气体排放，这取决于淀粉基原料的生产方式。 根据美国国家科学院2011年的数据，目前还没有商业上可行的生物精炼厂将木质纤维素生物质转化为燃料。 美国哥伦比亚特区上诉委员会于2013年1月25日宣布的决定无法按照规定要求的数量生产纤维素乙醇，这是对美国汽车和卡车燃料生产商的要求。环境保护局要求在其产品中添加纤维素生物燃料。 这些问题以及许多其他困难的生产挑战导致乔治华盛顿大学的政策研究人员表示，“在短期内，[纤维素]乙醇无法满足汽油替代品的能源安全和环境目标。”

历史
法国化学家Henri Braconnot是第一个发现纤维素在1819年通过硫酸处理可以水解成糖的方法。然后可以通过发酵将水解的糖加工成乙醇。 第一个商业化的乙醇生产于1898年在德国开始，其中使用酸来水解纤维素。 在美国，标准酒精公司于1910年在南卡罗来纳州开设了第一家纤维素乙醇生产厂。后来又在路易斯安那州开设了第二家工厂。 然而，由于经济原因，这两家工厂在第一次世界大战后关闭。

1898年在德国进行了第一次将木材乙醇商业化的尝试。它涉及使用稀酸将纤维素水解成葡萄糖，并且每100公斤木材废料能够生产7.6升乙醇（18美国）。每吨加仑（68升）。 德国人很快开发出一种工业工艺，优化每吨生物质约50美制加仑（190升）的产量。 这个过程很快就进入了美国，最终在第一次世界大战期间在东南部运营着两个商业工厂。这些工厂采用了所谓的“美国工艺” – 一级稀硫酸水解。虽然产量是德国原始工艺的一半（每吨25加仑（95升）乙醇，而不是50），但美国工艺的产量要高得多。 在第一次世界大战结束后不久，木材产量的下降迫使工厂关闭。与此同时，在USFS的林产品实验室继续进行少量但稳定的稀酸水解研究。 在第二次世界大战期间，美国再次转向纤维素乙醇，这次转化为丁二烯生产合成橡胶。 瓦肯铜业和供应公司签约建设和运营一家工厂，将锯末转化为乙醇。 该工厂基于对林产品实验室开发的原始德国Scholler工艺的修改。 该工厂实现了每干吨50美制加仑（190升）的乙醇产量，但仍然没有盈利，并在战后关闭。

随着近二十年来酶技术的快速发展，酸水解过程逐渐被酶水解取代。 需要对原料进行化学预处理以预水解（分离）半纤维素，因此可以更有效地将其转化为糖。 稀酸预处理是基于USFS森林产品实验室对木材酸水解的早期工作而开发的。 最近，林产品实验室与威斯康星大学麦迪逊分校共同开发了亚硫酸盐预处理，以克服木质纤维素对木质纤维素强力酶水解的顽固性。

美国总统布什在2006年1月31日发表的国情咨文中提出扩大纤维素乙醇的使用范围。 在2007年1月23日的国情咨文中，布什总统于2017年宣布了对350亿加仑（130,000,000立方米）乙醇的拟议授权。人们普遍认为玉米淀粉的最大乙醇产量为150亿美元。每年加仑（57,000,000立方米），意味着到2017年要求每年生产约200亿美元加仑（76,000,000立方米）的纤维素乙醇。布什提议的计划包括为纤维素乙醇提供20亿美元（2007年至2017年？）的资金美国农业部于2007年1月27日公布了另外16亿美元（2007年至2017年？）的工厂。

2007年3月，美国政府拨款3.85亿美元，旨在从木屑，柳枝稷和柑橘皮等非传统来源中快速启动乙醇生产。 所选择的六个项目中有一半将使用热化学方法，一半将采用纤维素乙醇方法。

美国公司Range Fuels于2007年7月宣布，它获得了佐治亚州的建筑许可，在美国建造了第一个商业规模为1亿美元加仑（380,000立方米）的纤维素乙醇工厂。 2007年11月开始施工.Range Fuels工厂建在乔治亚州的Soperton，但在2011年1月关闭，没有生产任何乙醇。 它从美国能源部获得了7600万美元的赠款，加上来自佐治亚州的600万美元，以及美国生物炼制援助计划保证的8000万美元贷款。 自20世纪70年代以来，美国（US）和巴西一直是燃料乙醇的两大主要生产国。

经济学
多年来，向可再生燃料资源的转变一直是目标。 然而，其大部分生产都是使用玉米乙醇。 在2000年，美国仅生产了62亿升，但在短短十年（2010年），这一数字已经增加了800％，达到500亿升。自美国环境保护局实施2007年可再生燃料标准（RFS）以来，政府向可再生燃料资源转移的压力已经很明显，该标准要求将一定比例的可再生燃料纳入燃料产品中。 美国政府大力推动玉米乙醇向纤维素乙醇生产的转变。 即使有这些政策和政府试图建立纤维素乙醇市场，2010年和2011年也没有商业生产这种燃料。“能源独立和安全法”最初设定了1亿，2.5亿和5亿的目标。分别为2010年，2011年和2012年的加仑数。 然而，截至2012年，预计纤维素乙醇的产量约为1050万加仑 – 远远低于其目标。 仅在2007年，美国政府就纤维素乙醇项目提供了10亿美元，而中国则向纤维素乙醇研究投入了5亿美元。

由于缺乏现有的商业化工厂数据，很难确定最常用的确切生产方法。 模型系统试图比较不同技术的成本，但这些模型不能应用于商业工厂成本。 目前，有许多试验和示范设施开放，在较小规模上展示纤维素生产。 这些主要设施总结在下表中。

中试规模的木质纤维素乙醇工厂的启动成本很高。 2007年2月28日，美国能源部宣布向六家纤维素乙醇工厂提供3.85亿美元的赠款。 这笔赠款资金占投资成本的40％。 剩下的60％来自这些设施的推动者。 因此，总投资额将达10亿美元，用于约1.4亿美元加仑（530,000立方米）的产能。 这相当于试验工厂的资本投资成本为每加仑7美元/年; 未来的资本成本预计会更低。 玉米 – 乙醇工厂的成本约为每年1-3加仑，而玉米本身的成本远高于柳枝稷或废弃生物质。

截至2007年，乙醇主要来自水果和谷物中的糖或淀粉。 相反，纤维素乙醇是从纤维素中获得的，纤维素是木材，稻草和植物结构的主要成分。 由于纤维素不能被人类消化，纤维素的生产不会与食品生产竞争，除了土地从粮食生产转向纤维素生产（由于小麦价格上涨，最近已开始成为一个问题。）因此，每吨原料的价格比谷物或水果便宜得多。 此外，由于纤维素是植物的主要成分，因此可以收获整株植物。 这样可以获得更好的产量 – 每英亩可达10短吨（22吨/公顷），而不是4-5短吨/英亩（9-11吨/公顷）的最佳作物。

原料很丰富。 据估计，仅在美国，每年就有大约3.23亿吨可用于制造乙醇的含纤维素原料被扔掉。 其中包括3680万干吨城市木材废料，9050万干吨初级工厂残渣，4500万干吨森林残余物和1.507亿干吨玉米秸秆和小麦秸秆。 使用高效且具有成本效益的半纤维素酶（纤维素酶）或其他工艺将它们转化为乙醇可能提供美国目前燃料消耗量的30％。 此外，甚至农业的边际土地也可以种植纤维素生产作物，如柳枝稷，从而产生足够的产量来替代目前进口到美国的所有石油。

根据加州综合废物管理委员会的城市概况，纸张，纸板和包装构成了美国每天送往垃圾填埋场的大部分固体废物，占有机城市固体废物（MSW）的41.26％。 这些城市概况每个垃圾填埋场每天积累612.3短吨（555.5吨），平均人口密度为每平方英里2,413人。 除石膏板外，所有这些都含有纤维素，其可转化为纤维素乙醇。 这可能具有额外的环境效益，因为这些产品的分解会产生甲烷，这是一种强效的温室气体。

减少通过纤维素乙醇转化处理固体废物将减少地方和州政府的固体废物处理成本。 据估计，美国每个人每天扔掉4.4磅（2.0千克）垃圾，其中37％含有废纸，主要是纤维素。 这计算出每​​天有244,000吨含有纤维素的废弃废纸。 生产纤维素乙醇的原料不仅是免费的，而且还具有负成本 – 即，乙醇生产商可以获得报酬以将其带走。

2006年6月，美国参议院听证会上被告知目前生产纤维素乙醇的成本为每加仑2.25美元（0.59美元/升），这主要是由于目前转换效率不佳。 考虑到乙醇的能量含量较低，以这个价格替换每桶石油（42美制加仑（160升））将花费120美元左右。 然而，能源部是乐观的，并要求加倍研究经费。 同样的参议院听证会被告知研究目标是到2012年将生产成本降低到每加仑1.07美元（0.28美元/升）。“纤维素乙醇的生产不仅代表了该国真正的能源多样性，但是，这是一种非常具有成本效益的化石燃料替代品。它是石油战争的先进武器，“Khosla Ventures的管理合伙人Vinod Khosla说道，他最近告诉路透社全球生物燃料峰会，他可以看到纤维素燃料价格下降到1美元每十加仑一加仑。

2010年9月，彭博社的一份报告分析了欧洲生物质基础设施和未来炼油厂的发展。 2010年8月一升乙醇的估计价格为1g为0.51欧元，2g为0.71。[需要澄清]该报告建议欧洲应该复制目前美国每干重50美元的补贴。

最近在2012年10月25日，作为燃料产品领导者之一的英国石油公司宣布取消其拟议的价值3.5亿美元的商业规模工厂。 据估计，该工厂每年将在佛罗里达州的高地县生产3600万加仑。 BP还在能源生物科学研究所为生物燃料研究提供了5亿美元。 通用汽车（GM）也投资了纤维素公司，更具体地说是Mascoma和Coskata。 还有许多其他公司正在建设中或朝着它前进。 Abengoa正在基于真菌嗜热毁丝霉（Myceliophthora thermophila）的技术平台建造一座年产2500万加仑的植物，将木质纤维素转化为可发酵的糖。 诗人也在爱荷华州Emmetsburg每年生产2亿美元，2500万加仑。 Mascoma现在与Valero合作宣布他们打算每年在密歇根州的Kinross建造一个2000万加仑的汽油。 中国酒精资源公司已经开发了一个连续运行的640万升纤维素乙醇工厂。

此外，自2013年以来，巴西公司GranBio正致力于成为生物燃料和生物化学品的生产商。 这家家族企业正在巴西阿拉戈斯州投产8200万升（22 MMgy）纤维素乙醇工厂（2G乙醇），这将是该集团的第一个工业设施。 GranBio的第二代乙醇设施与Grupo Carlos Lyra运营的第一代乙醇工厂相结合，使用了Beta Renewables的工艺技术，Novozymes的酶和DSM的酵母。 该工厂于2013年1月破土动工，正在进行最终调试。 根据GranBio年度财务记录，总投资为2.08亿美元。

原料
一般来说，有两种类型的原料：森林（木本）生物质和农业生物质。 在美国，每年可持续生产约14亿干吨生物质。 约3.7亿吨或30％是森林生物量。 与农业生物质相比，森林生物量具有更高的纤维素和木质素含量以及更低的半纤维素和灰分含量。 由于发酵预处理水解产物存在困难和低乙醇产率，特别是那些具有非常高的5碳半纤维素糖如木糖，森林生物质具有明显优于农业生物质的优点。 森林生物量也具有高密度，这显着降低了运输成本。 它可以收获一年左右，消除长期储存。 森林生物量接近零灰分含量显着降低了运输和加工过程中的静载。 为了满足生物多样性的需求，森林生物质将成为未来生物基经济中重要的生物质原料供应组合。 然而，森林生物量比农业生物质更难顽固。 最近，美国农业部林产品实验室与威斯康星大学麦迪逊分校共同开发了有效的技术，可以克服森林（木本）生物量的强烈顽固性，包括木聚糖含量低的软木物种。 短轮伐密集型养殖或树木养殖可为森林生物质生产提供几乎无限的机会。

来自斜线和树顶的木片和来自锯木厂的锯屑以及废纸浆是用于纤维素乙醇生产的常见森林生物质原料。

以下是农业生物质的几个例子：

柳枝稷（Panicum virgatum）是一种天然的高草草原草。 这种多年生植物以其耐寒和快速生长而闻名，在温暖的月份生长到2-6英尺的高度。 柳枝稷可以在美国的大部分地区种植，包括沼泽地，平原，溪流，以及沿着海岸和河流。 州际高速公路。 它是自播种（没有用于播种的拖拉机，仅用于割草），能够抵抗许多疾病和害虫。 在肥料和其他化学品的低应用下可以产生高产量。 它也容忍贫瘠的土壤，洪水，和 干旱; 改善土壤质量，防止因其根系类型造成的侵蚀。

柳枝稷是一种经批准的覆盖作物，用于受联邦保护区计划（CRP）保护的土地。 CRP是一项政府计划，向生产者支付费用，用于不在作物最近种植的土地上种植作物。 该计划减少了土壤侵蚀，提高了水质，增加了野生动物栖息地。 CRP土地是山地游戏的栖息地，如野鸡和鸭子，以及许多昆虫。 用于生物燃料生产的柳枝稷已被考虑用于保护储备计划（CRP）土地，这可以提高生态可持续性并降低CRP计划的成本。 但是，必须修改CRP规则以允许经济地使用CRP土地。

Miscanthus×giganteus是另一种可用于纤维素乙醇生产的原料。 这种草原产于亚洲，是芒草和芒草的三倍体杂交种。 它可以长到12英尺（3.7米）高，几乎没有水或肥料输入。 芒草在冷耐旱性和水分利用效率方面类似于柳枝稷。 芒草（Miscanthus）作为可燃能源在欧盟商业化种植。

玉米穗轴和玉米秸秆是最受欢迎的农业生物质。

有人提出，葛根可能成为生物质的宝贵来源。

以玉米为主，以草为主
2008年，只有少量柳枝稷专门用于乙醇生产。 为了使其在大规模生产中种植，它必须与现有的农业用地竞争，主要用于农作物的生产。 在美国22.6亿英亩（910万平方公里）的未淹没土地中，33％是林地，26％是牧场和草地，20％是农田。 美国能源和农业部于2005年进行的一项研究确定了是否有足够的可用土地资源来维持每年生产超过10亿干吨的生物质，以取代目前国家目前使用的液体运输燃料的30％或更多。 该研究发现，通过对农业和林业实践进行微小改变并满足对林业产品，食品和纤维的需求，可以有13亿干吨生物质供乙醇使用。 田纳西大学最近进行的一项研究表明，为了将石油使用量减少25％，需要将多达1亿英亩（400,000平方公里，或154,000平方英里）的农田和牧场分配给柳枝稷生产。

Searchinger等人的总结。 玉米乙醇和汽油温室气体排放的比较 有和没有土地使用变化 （燃料中每兆焦耳释放的二氧化碳克数）
汽油种类 （我们）	碳 强度	减少 温室气体	碳 强度 + ILUC	减少 温室气体
汽油	92	–	92	–
玉米乙醇	74	-20％	177	+ 93％
纤维素乙醇	28	-70％	138	+ 50％
注释：使用E85中乙醇2015年情景的默认假设计算。  汽油是常规汽油和新配方汽油的组合。

目前，与纤维素乙醇相比，玉米加工成乙醇更容易且更便宜。 美国能源部估计，生产纤维素乙醇的成本约为每加仑2.20美元，这是玉米乙醇的两倍。 破坏植物细胞壁组织的酶每加仑乙醇成本为30至50美分，而玉米每加仑成本为3美分。 美国能源部希望到2012年将生产成本降低到每加仑1.07美元才能生效。 然而，纤维素生物质比玉米生产成本更低，因为它需要较少的投入，例如能量，肥料，除草剂，并且伴随着较少的土壤侵蚀和改善的土壤肥力。 另外，在制造乙醇之后留下的不可发酵和未转化的固体可以被燃烧以提供操作转化设备和产生电力所需的燃料。 用于运行基于玉米的乙醇工厂的能源来自煤和天然气。 当地自力更生研究所估计，第一代商业化工厂的纤维素乙醇成本将在每加仑1.90美元至2.25美元之间，不包括激励措施。 相比之下，目前玉米乙醇的每加仑成本为1.20-1.50美元，普通汽油目前的零售价为每加仑4.00美元（有补贴和征税）。

增加生物燃料使用的主要原因之一是减少温室气体排放。 与汽油相比，乙醇燃烧更清洁，从而减少二氧化碳和空气中的总体污染。 另外，燃烧仅产生低水平的烟雾。 根据美国能源部的数据，与汽油和玉米乙醇相比，纤维素乙醇减少了86％的温室气体排放，减少了52％的排放量。 二氧化碳气体排放量显示比汽油排放量低85％。 纤维素乙醇对温室效应的贡献很小，净能量平衡比玉米乙醇好五倍。 当用作燃料时，纤维素乙醇释放出较少的硫，一氧化碳，微粒和温室气体。 纤维素乙醇应该获得生产者减碳信用额度，高于生产玉米乙醇的生产者，每加仑约3至20美分。

从化石燃料中获取0.76 J的能量，从玉米中生产出1 J的乙醇。 这一总数包括使用化肥，拖拉机燃料，乙醇厂运行等化石燃料。研究表明，化石燃料可以产生超过草原草乙醇体积的五倍，据政策总裁特里莱利说。西奥多罗斯福保护伙伴关系。 美国能源部的结论是，基于玉米的乙醇提供的能量比生产所需的能量多26％，而纤维素乙醇提供的能量提高了80％。 纤维素乙醇产生的能量比生长和转化所需的能量多80％。 将玉米变成乙醇的过程​​需要大约1700倍（按体积计）与乙醇一样多的水。[可疑 – 讨论]此外，它留下了12倍的废物量。 谷物乙醇仅使用植物的可食用部分。

纤维素不用于食品，可以在世界各地种植。 在生产纤维素乙醇时可以使用整个植物。 柳枝稷的产量是每英亩乙醇的两倍，而不是玉米。 因此，生产需要的土地较少，因此栖息地破碎较少。 生物质材料需要较少的投入，例如肥料，除草剂和其他可能对野生动物构成威胁的化学品。 它们广泛的根系改善了土壤质量，减少了侵蚀，增加了养分捕获。 与传统的商品作物生产相比，草本能源作物减少了90％以上的土壤侵蚀。 这可以转化为改善农村社区的水质。 此外，草本能源作物将有机物质添加到贫瘠的土壤中，并且可以增加土壤碳，这可以直接影响气候变化，因为土壤碳可以吸收空气中的二氧化碳。 与商品作物生产相比，生物量减少了地表径流和氮运输。 柳枝稷为各种野生动物居住环境提供了环境，主要是昆虫和地面鸟类。 保护储备计划（CRP）土地由多年生草组成，其用于纤维素乙醇，并且可以使用。

多年来，美国农民一直在种植高粱和玉米等作物。 因此，人们对这些做法对野生动物的影响了解很多。 增加玉米乙醇的最显着影响将是必须转化为农业用途的额外土地以及随农业生产而增加的侵蚀和肥料使用。 通过使用玉米增加我们的乙醇产量可能对野生动物产生负面影响，其规模将取决于生产规模以及用于增加产量的土地以前是闲置的，在自然状态下，还是种植在其他行上作物。 另一个考虑因素是是否种植柳枝稷单一栽培或使用各种草和其他植被。 虽然植被类型的混合物可能提供更好的野生动物栖息地，但该技术尚未开发以允许将不同草种或植物类型的混合物加工成生物乙醇。 当然，纤维素乙醇生产仍处于起步阶段，随着研究的继续，使用多样化植被代替单一栽培的可能性值得进一步探索。

美国环境保护局 生命周期草案温室气体减排结果草案 针对不同的时间范围和贴现率方法 （包括间接土地利用变化影响）
燃料通路	100年+ 2折优惠 率	30年+ 0％的折扣 率
玉米乙醇（天然气干磨机） （1）	-16％	+ 5％
玉米乙醇（最佳案例NG DM） （2）	-39％	-18％
玉米乙醇（煤炭干磨）	+ 13％	+ 34％
玉米乙醇（生物质干磨）	-39％	-18％
玉米乙醇（生物质干磨机用 热电联产）	-47％	-26％
巴西甘蔗乙醇	-44％	-26％
来自柳枝稷的纤维素乙醇	-128％	-124％
来自玉米秸秆的纤维素乙醇	-115％	-116％
注：（1）干磨（DM）植物研磨整个籽粒并通常生产  只有一种主要副产品：含可溶物的酒糟（DGS）。  （2）最佳案例工厂生产湿酒糟副产品。

诺贝尔奖获得者Paul Crutzen的一项研究发现，当全生命周期评估适当考虑玉米乙醇生产过程中发生的氧化亚氮（N2O）排放时，与石油相比，玉米生产的乙醇具有“净气候变暖”效应。 Crutzen发现氮肥需求较少的作物，如草和木本植物，对气候的影响更为有利。

纤维素乙醇商业化
纤维素乙醇商业化是通过将含纤维素的有机物质转化为燃料的方法来建立工业的过程。 Iogen，POET和Abengoa等公司正在建造能够处理生物质并将其转化为乙醇的炼油厂，而杜邦，Diversa，Novozymes和Dyadic等公司正在生产可以使纤维素乙醇成为未来的酶。 从粮食作物原料到废弃物和原生草的转变为一系列参与者提供了重要机会，从农民到生物技术公司，从项目开发商到投资者。

纤维素乙醇工业在2008年开发了一些新的商业规模工厂。在美国，每年总计1200万升（317万加仑）的工厂投入运营，每年额外增加8000万升（2110万加仑）。 – 在26个新工厂 – 正在建设中。 在加拿大，每年的生产能力为600万升。 在欧洲，有几家工厂在德国，西班牙和瑞典投入运营，每年的产能为1000万升。

意大利的Mossi＆amp; Ghisolfi集团于2011年4月12日在意大利西北部为其1300万台纤维素乙醇工厂破土动工。该项目将成为世界上最大的纤维素乙醇项目，比目前运营的任何示范规模设施大10倍。

美国商业纤维素乙醇工厂
（运营或在建）

公司	地点	原料
Abengoa生物能源	Hugoton，KS	小麦秸秆
BlueFire乙醇	加利福尼亚州欧文市	多个来源
Colusa Biomass Energy Corporation	萨克拉门托，加利福尼亚州	废稻草
Coskata公司	伊利诺伊州沃伦维尔	生物质，农业和城市废物
杜邦公司	田纳西州的Vonore	玉米棒子，柳枝稷
杜邦公司	内华达州，IA	玉米秸秆
Fulcrum生物能源	里诺，内华达州	城市生活垃圾
墨西哥湾沿岸能源	佛罗里达州莫西海德	木材废料
KL能源公司	厄普顿，怀俄明州	木
马斯科马	兰辛，密歇根州	木
POET-DSM高级生物燃料	艾美茨堡，IA	玉米棒子，果壳和秸秆
范围燃料	乔治亚州特伦特伦县	木材废料
SunOpta	明尼苏达州小瀑布市	木屑
SweetWater能源	纽约罗切斯特	多个来源
美国Envirofuels	佛罗里达州高地县	甜高粱
Xethanol	Auburndale，FL	柑橘皮