Биоэтанол

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Завод по производству этанола в Зап. Бёрлингтоне, шт. Айова

Биоэтанол — обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Мировое производство биоэтанола в 2005 составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы. Федеральное правительство США предоставляет производителям этанола налоговый кредит (но не субсидии) до $0,51 за галлон этанола. Бразильский этанол дёшев из-за низких заработных плат у сборщиков сахарного тростника.

США в августе 2005 года приняли «Энергетический Билль» (Energy Policy Act of 2005), и «Стандарт возобновляемых видов топлива» (Renewable Fuels Standard). Они предусматривают к 2012 году ежегодное производство 30 миллиардов литров этанола из зерновых и 3,8 миллиард литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности и т. д.).

Сырьё для производства биоэтанола[править | править исходный текст]

Клубни маниока

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные с/х культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.

Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Себестоимость производства биоэтанола из маниоки в Таиланде — около $35 за баррель нефтяного эквивалента.

Лучшим климатом для производства сахарного тростника обладает Перу, страны Карибского бассейна. В больших количествах сахарный тростник могут также производить Индонезия и некоторые африканские страны, например, Мозамбик.

Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д.

Производство этанола из целлюлозы пока экономически не рентабельно.

Методы производства[править | править исходный текст]

Брожение[править | править исходный текст]

Известный с давних времён способ получения этанола — спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

Промышленное производство спирта из биологического сырья[править | править исходный текст]

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

  • подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (прежде всего — ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т. п.
  • ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем — глюкамилаза, амилосубтилин.
  • брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»).

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла. Барда используется для производства кормов.

Крупнейшие производители биоэтанола в США компании Archer Daniels Midland и Cargill.

Гидролизное производство[править | править исходный текст]

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

Этанол как топливо[править | править исходный текст]

Производство этанола в Сертазино, Бразилия

На 2008 год доля этанола в мировом потреблении моторного топлива составила 5,4%. В том же году 89% мирового производства этанола приходились на долю США и Бразилии.[1]

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии, чем бензин (это касается только смесей с высоким содержанием этанола, см.ниже "Энергоэффективность этанола"); пробег машин работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol) на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные автомобильные ДВС не могут работать на Е85, хотя прекрасно работают на Е10 (некоторые утверждают что можно использовать даже Е15 и успешно используется Е40 (А95-Е)). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. машины «Flex-Fuel» (автомобиль с многотопливным двигателем). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор либо Е20 (иногда Е25) под видом обычного бензина, либо «acool» Е100, азеотроп этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % (по весу) воды). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40%. Переделать обычную машину в «Flex-fuel» можно, но экономически нецелесообразно.

Также все современные поршневые танковые двигатели являются многотопливными.

Критики производства биоэтанола заявляют, что для производства биоэтанола под плантации тростника часто вырубаются тропические леса. Но природные условия вокруг Амазонки не позволяют выращивать сахарный тростник. Тропические леса вырубаются нелегально. Нелегальные производители древесины вырубают участок леса. После ухода нелегальных дровосеков участок занимают фермеры для выпаса скота. Через 3 — 4 года выпас скота на этом участке прекращается, а участок занимают фермеры для производства сои и других культур.

Производство этанола из кукурузы в США в 5-6 раз менее эффективно по сравнению с его производством на основе сахарного тростника в Бразилии. В последнее время в южных штатах США начинается производство целлюлозного этанола, для чего проводятся посевы сладкого сорго.[1]

Топливные смеси этанола[править | править исходный текст]

Заправочная станция в Бразилии, продающая этанол.

Е5, Е7, Е10 — смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путём его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенирирующую добавку МТБЭ.

Е85 — смесь 85 % этанола и 15 % бензина. Стандартное топливо для т. н. «Flex-Fuel» машин, распространённых, в основном в Бразилии и США, и в меньшей степени — в других странах. Из-за более низкой энергоплотности продаётся дешевле, чем бензин.

Е95 — смесь 95 % этанола и 5 % топливной присадки. Компания Scania начала разрабатывать дизельный двигатель для автобуса, работающий на 95 % этаноле в середине 80-х годов. Создана программа испытаний городских автобусов с двигателями, работающими на 95 % этаноле — BEST (BioEthanol for Sustainable Transport). См. статью Автобусы Scania.

Е100 — формально 100 % этанол, однако в силу того, что этанол гигроскопичен, получение и использование этанола без остаточной концентрации воды невыгодно. Поэтому в большинстве случаев под Е100 подразумевают стандартную азеотропную смесь этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды, (по весу); 96,5 % и 3,5 % в объёмных процентах). Путём обычной дистилляции невозможно получить более высокую концентрацию этанола.

Подробно номенклатура смесей этанола и бензина используемых в качестве топлива в разных странах и машинах описана в английской статье Википедии Топливные смеси этанола.

Энергоэффективность этанола[править | править исходный текст]

В декабре 2007 года Университет Северной Дакоты и Центр Автомобильных Исследований Миннесоты (MnCAR) опубликовали результаты исследования энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте[2]. В исследовании принимали участие как обычные автомобили, так и автомобили с Flex-fuel двигателями. Исследовали смеси от 2 % до 85 % содержания этанола в бензине.

Для обычных автомобилей наиболее оптимальной оказалась смесь Е30. Потребление топлива снизилось на 1 % в сравнении с бензином. Результат получен на автомобилях Toyota Camry и Ford Fusion.

Для flex-fuel автомобилей оптимальной оказалась смесь Е20. Потребление топлива снизилось на 15 % в сравнении с бензином. Результат получен на flex-fuel модели Chevrolet Impala.

Топливный баланс этанола[править | править исходный текст]

В 2005 г. начали появляться исследования, в которых утверждалось, что этанол, производимый из кукурузы, имеет отрицательный энергетический баланс.

В 2006 г. в своём отчёте Департамент сельского хозяйства США (USDA) сообщил, что этанол имеет топливный баланс 1,24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

Существуют различные способы оценки топливного баланса этанола. Но топливный баланс бензина всё равно хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, её добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т. д.

В Бразилии багасса сахарного тростника используется в качестве топлива на электростанциях. Это позволяет увеличить топливный баланс этанола, производимого из сахарного тростника, до 8.

Топливный баланс этанола, производимого из целлюлозы может достигать 2.

Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива[править | править исходный текст]

Использование биоэтанола в качестве топлива позволяет снизить выбросы диоксида углерода, являющегося парниковым газом. Сокращение выбросов диоксида углерода при использовании биоэтанола зависит от используемого растительного сырья, климатической зоны и накладных расходов на его выращивание, транспорт и переработку, поскольку в этих процессах используется ископаемое топливо (агротехнические работы, сушка зерна при закладке на хранение, производство удобрений для восстановления плодородия почв, ректификация спирта и переработка отходов). Снижение выбросов CO2 при производстве этанола из зерна по состоянию на 2007 г. в США составляло в среднем 19%, предполагается, что при модернизации спиртового производства и переводе его исключительно на природный газ возможно снижение выбросов углекислого газа на 28-32%. Максимальное снижение выбросов CO2 может быть достигнуто при производстве этанола из целлюлозосодержащих отходов (например, отходов лесной промышленности, 52%) в качестве как источников целлюлозы, так и топлива в спиртовом производстве; теоретический максимум снижения выбросов — 82% — может быть достигнут при производстве этанола из целлюлозной биомассы проса Panicum virgatum, однако такие производства в настоящее время (2011 г.) отсутствуют[3].

Главной проблемой производства биоэтанола из товарной сельскохозяйственной продукции, в первую очередь из зерна, является сокращение доли земель, занятых под производство кормовых и пищевых культур и, как следствие, рост цен на продовольствие. Так, по оценкам бюджетного комитета Конгресса США, вклад роста использования зерна для производства этанола в повышении цен на продовольствие в 2008 г. составил 35 %[4].

Содержащийся в этаноле кислород, позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10 % содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50 %, выбросы СО — на 30 %.

В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в CO2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

Автомобили, использующие биоэтанол в качестве топлива[править | править исходный текст]

В начале 2007 г. 15 % автомобилей в Бразилии имели flex-fuel двигатели. К 2015 году доля таких автомобилей может вырасти до 70 %. [источник не указан 945 дней]

В 2007 году в Бразилии было продано 2 миллиона новых биотопливных автомобилей, что составляет 85,6 % от рынка новых автомобилей Бразилии. За 2003 год в Бразилии было продано 48 тыс. биотопливных автомобилей, что составляло 4 % автомобильного рынка.

Последнее время широкое распространение получили двигатели «Flexifuel» от компании «Ford». В 2007 году в Европе было продано около 17500 автомобилей Flexifuel.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]