Производство биоэтанола

Производство ЭтилТретБутиловогоЭфира ETBE без использования изобутилена

Выход спирта, учет и хранение

Производства этанола в США

Сравнение стоимости производства этанола в США и Германии

Производство Био-дизеля из спирта

ГОСТ на спирт

Производство Биоэтанола.

Этанол может быть произведен как из ископаемого топлива, как например, природный газ или сырая нефть, так и из биомассы (зерна, древесины и т.п.) как биоэтанол.

Биоэтанол используется в различных пропорциях смеси с бензиновым или дизельным топливом; наиболее хорошо знакомы смеси с объемом:

E85G [85% этанол + 15% бензин]

E15D [15% этанол + 85% дизель]

Этанол - широко используется в мире как альтернативное автомобильное топливо, главным образом из-за решения Бразилии производить спиртовое топливо из сахарного тростника, но также по причине его использования в Северной Америке для увеличения октанового числа бензина [в небольших процентах]. Топливная смесь E85G давно используется в гибко-топливном двигателе [FFV]. Смесь дизеля с этанолом вплоть до 15% [E15D] не приводит ни к каким техническим проблемам; эти проблемы заканчиваются при концентрации кислорода в топливе приблизительно 5%.

Таблица. Свойства Био-Этанола и его смесей.

Свойства [единицы измерения]		Название
	Этанол	E85G	E15D
Относительная молярная масса	46.1	-	-
Содержание углерода [ % к массе]	52.2	56 - 58	-
Содержание водорода [ % к массе]	13.1	13 - 14	-
Содержание кислорода [ % к массе]	34.8	29 - 30	5
Содержание воды [ % к массе]	<6.2	2.9 - 6.6	-
Содержание фосфора [ppm]	-	<0.5	-
Содержание серы [ppm]	-	<30	0.01%
Относительная плотность [@15°C / 1 bar]	0.8 - 0.82	0.78 - 0.80	0.815
Температура кипения [°C / 1 bar]	78	49 - 80	-
Температура замерзания [°C]	-114	-	-
Температура самовоспламенения [°C]	423	>257	-
Стохиометрическое воздушно/топливный коэффициент [масс]	9	9.9	-
Нижняя тепловая величина [MJ/kg]	25 - 27	26 - 27	-
Температура вспышки [°C]	13	-	<20
Давление испарения @38°C [kPa]	15.9	48 - 103	-
Предел воспламеняемости [volume %]	4.3 - 19	-	-
Октановое число по исследовательскому методу [RON]	108.6	107	-
Октановое число по моторному методу [MON]	89.7	89	-
Латентная теплота испарения @ 1bar [kJ/kg]	923	836	-
Специфическая теплота [kJ/kg-K]	2.4	2.3	-
Цетан	8	-	41

Биотехнология. Производство этанола.

Этанол может быть произведен разными путями с использованием разного сырья. [3] Бразилия использует сахарный тростник как первичное сырье, но возможны и другие компоненты. Для информации о Бразильском методе производства этанола, смотри Этанольное топливо в Бразилии. Более, чем 90% этанола изготовленного в США производится из зерна (смотри список спиртовых заводов США, входящих в Ассоциацию Возобновляемых Топливных Ресурсов).

Основные этапы производства для сухого способа производства этанола: очистка и подготовка содержащего крахмал сырья, сжижение и осахаривание (гидролиз крахмала в глюкозу), брожение, дистилляция, обезвоживание, и денатурирование (при необходимости). Углекислый газ, получаемый в процессе брожения, это потенциально вредный тепличный газ (создающий тепличный эффект в атмосфере Земли и вызывающий глобальное потепление на планете).

Этанол производился в результате брожения. В течение спиртового брожения, глюкоза превращается в этанол и углекислый газ по уравнению:

C6H12O6 > 2 CH3CH2OH + 2 CO2

Чтобы сделать спирт пригодным в качестве топлива его обезвоживают (абсолютируют). Основной метод - это дистилляция, но концентрация этанола в этом случае ограничивается содержанием этанола в смеси этанол-вода 95-96%. Дальнейшее увеличение доли спирта в смеси этанол-вода экономически не целесообразно, так как требует больших расходов энергии. Смесь 96% этанола + 4% Воды может быть использована как топливо, и называется очищенным топливом этилового спирта (alcool etilico hidratado combustivel, или AEHC в Португальском). В 2002, почти 5 миллиардов литров (1,3 миллиардов галлонов) очищенного топлива этилового спирта были произведены в Бразилии для использования в машинах использующих этанол [ссылка].

К настоящему времени, широко используемым методом обезвоживания является физический процесс адсорбции, использующий молекулярные сита. Другой метод - это азеотропная дистилляция, достигаемая введением в смесь этанол + вода углеводородного бензола. Тем не менее, бензол является мощным канцерогеном и вероятно будет скоро запрещен к использованию.

Смеси Этанольного топлива

Чистый этанол реагирует с / или растворяет определенную резину и пластические материалы и не должен использоваться в немодифицированных двигателях. К тому же, чистый этанол имеет значительно более высокое октановое число (116 AKI, 129 RON), чем обычный бензин (86/87 AKI, 91/92 RON), что требует изменения в коэффициенте сжатия и синхронизации зажигания, чтобы получить максимальный эффект [10].

Этанольным двигателям также нужна холодная-стартовая система, чтобы гарантировать достаточное парообразование при температуре ниже 13 C (55 F). С другой стороны, если от 10 до 30% этанола смешаны бензином, то никакой модификации вашей машины - обычно не нужно. Многие современные автомобили могут работать на этих смесях очень надежно.

Сегодня во многих странах существует законодательное требование для производителей автомобильных двигателей, требующих, чтобы автомобили могли работать на этанольных смесях. Бразилия требует, чтобы автомобили были бы пригодными для использования 25% этанольной смеси и работали на различных смесях этанола от 22% до 25%, согласно данным на Февраль 2006 - это требование =20%. В Соединенных Штатах допускается вплоть до 10% смесей, и некоторые штаты требуют этого (или меньшей суммы) во всем проданном бензине . Другие страны приняли свои собственные требования. Имея ввиду эти требования, думается что в скором времени все автомобили смогут работать на смесях содержащих около 30% этанола.

Начиная с 1999 года , в мире все возрастает количество машин произведенных с двигателями, которые могут работать на любом бензине с 0% этанола вплоть до 100% этанола без модификации. Многие грузовики (класса minivans, SUVs и пикап), предназначены для работы на двойном топливе или оснащены гибкими двигателями, которые могут автоматически обнаружить тип топлива и изменить поведение машины, синхронизировав коэффициент воздуха и зажигание, чтобы компенсировать изменение октанового числа топлива в цилиндрах двигателя.

Некоторые проблемы, которые встречаются на пути использования этанола:

Этанол обычно не перемещают по трубопроводам по трем причинам:

Текущие промышленные уровни производства этанола не соответствуют перекачке по магистральным трубопроводам.
Издержки на строительство и поддержание таких трубопроводов слишком велики.
Любая вода, которая проникнет в трубопровод будет поглощена этанолом, разбавляющим смесь.[9]

Базирующееся на этаноле топливо не совместимо с некоторыми компонентами топливной системы. Использование топлива на этаноле может негативно влиять на электрические топливные насосы увеличивая внутренний износ и нежелательное поколение искры. E-85 не совместим с емкостными указателями уровня топлива и может вызвать ошибочные указания количества топлива в машинах, которые применяют эту систему. Этанол смешивается с водой или бензином, но не с обеими. При содержании воды в этаноле на уровне ниже 0.5% на 1.0% , нет проблем. При содержании воды в этаноле с 1% или более, происходит разделение фаз (расслоение смеси) , и этанол-водяная смесь выделится из бензина. Убытки от испарения E-85.

Экономика Этанольного Топлива измеряется в милях на галлон (МИЛЬ НА ГАЛЛОН), или литрах на 100 km [11]. Этанол содержит приблизительно на 34% меньше энергии за галлон чем бензин, и значит можно получить на 34% меньшее расстояние за галлон [12] (смотри также "Альтернативную Эффективность Топлива в Милях за Галлон" [13]). Для E10 (10% этанол + 90% бензин), этот эффект небольшой (~3%) по сравнению с стандартным бензином [14]. Тем не менее, для E85 (85% этанола), эффект становится значимым. На E85 автомобиль пройдет приблизительно на 27% меньшее расстояние, чем на бензине, и потребует более частых дозаправок. Фактическое значение может меняться в зависимости от машины. Смотри [15].

Это уменьшает экономику топлива и должно учитываться при сравнении цен. Например, если регулярный бензин стоит $3.00 за галлон, а E85 стоит $2.19 за галлон, то цены по существу эквиалентные. Если скидка для E85 - менее чем 27%, то Е85, в переводе на милю пути, более дорог по сравнению с регулярным бензином. Для сравнений цен в США, смотри [16].

Некоторые исследователи работают над тем, чтобы увеличивать эффективность топлива оптимизируя двигатели для этанола - как базового топлива. Более высокое октановое число этанола допускает увеличение коэффициента сжатия двигателя для повышенной термической эффективности [1]. В одном анализе, сложный двигатель допускал коэффициент сжатия от 19.5 с топливом, колеблющимся от хорошего 100% этанола до E50. Была достигнута термическая эффективность приблизительно такая же как у дизеля [17].

Локальное производство и использование этанола

Пакистан, Индия, Китай, Тайланд и Япония в настоящее время запустили свои национальные программы по газохолу. Тайланд допустил смешивать 10% этанола для своего ULG95 в 1985; и сейчас в Тайланде есть более, чем 4000 станций, обслуживающих E10. Аналогично, Пакистан запустил этанол смешанный с бензином как часть экспериментального проекта "Смешанное топливо". Смешанное топливо - это 10 процентов этанола и 90 процентов бензина. Первоначально оно доступно в Karachi, Lahore и Islamabad, но в конечном счете будет доступно и для остальной части страны.

ДЖЕНЕРАЛ МОТОРС Канада готовит, запуск E85 гибкого двигателя, который будет продаваться по той же цене как их бензиновые версии. Наибольшее число этих новых машин будет производиться в Oshawa, Ontario.

ДЖЕНЕРАЛ МОТОРС в Соединенных Штатах указывает, что они имеют свыше 2 миллионов машин на дорогах во всех 50 штатах, которые способны работать на смеси 85% этанола-15% бензина, называемой E85. В 2006, GM произведет более, чем 400,000 машин ежегодно с гибкими двигателями - машины, которые могут также подействовать в бензине или E85 ethanol без любых модификаций или специальных переключателей. [2]

Почти каждый этанольный топливный проект субсидирован и/или субсидируется локальными правительствами. В 2006 субсидии США составили - 51 цент за галлон. [3]. Это основано на текущих рыночных условиях, и это защищает этанольное топливо от конкуренции с более популярным бензиновым или Дизельным топливом.

Этанольное топливо в Бразилии

В 2004, Бразилия была самым большим производителем и потребителем этанольного топлива в мире. В 1970-х, Бразилия провела расширение внутреннего производства этанольного топлива из сахарного тростника и отходов сахарного производства. В Бразилии производится приблизительно 4 миллиард галлонов этанола в год. Спиртовые Заводы в Бразилии поддерживают положительный (+34%) энергетический баланс сжигая остатки целлюлозы от переработки сахарного тростника. Разработка этанола в Бразилии была субсидирована своим правительством. Весь бензин в Бразилии должен быть по крайней мере на 20%~25% разбавлен спиртом. Бразилия может производить этанол по цене $1.00 за галлон (1 ам. галлон = 3,78 литра). Новые автомобили в Бразилии оснащены гибкими двигателями, способными использовать топливо, содержащее любую пропорцию чистого этанола и/или бензина.

В 2006, увеличение импорта этанола США и растущие цены на сахар на международном рынке ведет к росту в цене этого топлива.

Сторонники этанола говорят, что этанольное топливо в Бразилии уменьшило зависимость страны от нефти, улучшило качество воздуха, и экономит энергию, но критики настаивают, что пример Бразилии не приемлем для США по нескольким причинам.[19]

Этанольное топливо в Колумбии

Колумбийская этанольная программа получила начало в 2002 когда правительство приняло закону о кислородном обогащении бензина. Первоначально это было сделано, чтобы уменьшить эмиссию угарного газа от автомобилей. Последующие нормы освободили биомассу этанола от некоторых налогов на бензин, таким образом делая этанол более дешевым, чем бензин. Это направление было усилено когда цена на нефть увеличилась. В Колумбии цена как бензина так и этанола устанавливается правительством. Дополнением к этой этанольной программе является программа производства биодизеля, как путем насыщения кислородом дизельного топлива так и производство возобновляемого топлива из растительных масел.

Первоначально весь интерес к производству этанола происходил от сахарной промышленности, которая таким путем утилизирует отходы сахарного производства. Правительство имеет целью постепенно преобразовывать поставки топлива в смеси 10 процентов этанола и 90 процентов бензина.

Первый спиртовый завод в Колумбии начинал производство в Октябре 2005, с выходом 300,000 литров спирта в день в области Cauca. К Марту 2006 будут запущены пять заводов, все в Долине Cauca, с комбинированной возможностью 1,050,000 литров в день или 357 миллион литров в год. Общая инвестиция на этих заводах - $100 миллионов. К 2007, Колумбия надеется иметь возможность производить 2,500,000 литров в день, которые требуются для добавки 10% этанола в бензин.

Но для страны этого не достаточно.

Этанольное топливо в Соединенных Штатах

Использование и производство этанольного топлива в Соединенных Штатах неуклонно возрастает. Этанол преимущественно доступен на Среднем западе и Калифорнии. Согласно данным на сентябрь, 2006 в США существуют производственные мощности на 5.01 миллиарда галлонов (18.96 миллионов m3). В стадии строительства находится еще 2.93 миллиард галлонов (11.09 миллионов m3). [20] По оценкам USDA спирт из зерна стоил $1.03-1.05/галлон в 2003-05, по сравнению с прогнозами $1.27 из патоки, $2.35 из свеклы US и $2.40 из сахарного тростника. Цена сахарного тростника в США - под строгим влиянием импортных квот и поддерживается [ссылка].

Нормы и субсидии

В Бразилии, Колумбии и Соединенных Штатах, использование этанола из сахарного тростника и зерна для автомобильного топлива имеет сильную поддержку со стороны государства. США начали субсидировать производство этанола из зерна (кукуруза) после нефтяного эмбарго Арабскими странами в 1973. Энергетическое Налоговое Законодательство от 1978 разрешало освобождение акцизного налога для биотоплива, в основном - этогазохол. Освобождение акцизного налога оценивается как $1.4 миллиард USD в год. Другая федеральная программа США гарантирует займы для строительства этанольных заводов, и в 1986 США даже давали бесплатное зерно производителям этанола. Колумбийская этанольная программа была запущена выходом закона, который должен освободить биомассу этанола от некоторых налогов на бензин.

В Августе 2005, Президент Буш подписал энергетический закон, который включил требование увеличивать производство этанола и биодизеля от 4 до 7.5 миллиардов галлонов US (15 в 28 миллионов m3) в течение следующих десяти лет.

Директива 2003/30/EC Европейского Парламента продвигает замену ископаемого топлива биологическими топливами: среди них био-этанол, смешанный с бензином. Объединенное Королевство приняло национальную политику, способствующую использованию биотоплив, включая этанол, хотя налогообложение альтернативного топлива подобного биодизелю, почти такое же тяжелое как для стандартного ископаемого топлива.[21]

Этанол и Водород

Водород анонсируется как альтернативное топливо, создающее водородную экономику. Поскольку водород в своем газообразном состоянии занимает большой объем по сравнению с другим топливом, материально-техническое снабжение становится трудной проблемой. Одно возможное решение предполагает использовать этанол в качестве носителя водорода (С2Н5ОН), чтобы перемещать связанный водород, а затем высвобождать его из связанного с углеродом состояния в водородном реформаторе и питать водородом топливную ячейку. Кроме того, некоторые снабжают топливом ячейки (направляя этанол в топливную ячейку, DEFC) непосредственно питая их этанолом или метанолом. Согласно данным на 2005, топливные ячейки способны работать на метаноле более эффективно чем на этаноле.

С начала 2004, исследователи в Университете Minnesota заявляли о изобретении простого этанольного реактора, который пропуская этанол через стек катализаторов на выходе имеет водород пригодный для питания топливной ячейки. Устройство использует родий-цериевый катализатор для начальной реакции, которая происходит при температуре около 700 C (1292 градусов F). Эта начальная реакция смешивает этанол, водный пар и кислород и выдает хорошее количество водорода. К несчастью, эта реакция также заканчивается образованием угарного газа, который нужно преобразовывать в углекислый газ (угарный газ - газ без запаха, бесцветный и безвкусный является токсичным продуктом).

Компания EEI заявила о новом методе для создания бутанола из биомассы. Этот процесс включает последовательное использование двух отдельных микро-организмов, чтобы минимизировать производство ацетона и этанола, как побочных продуктов. Интересно, что этот процесс производит значимое количество водорода, а также бутанола. [22]

Энергетический баланс этанольного топлива

Для Этанола, чтобы соответствовать транспортному топливу необходимо иметь есть чистый положительный энергетический баланс - и федеральное правительство заявило, что это так [23]. Кавычка: "...Официальное исследование выхода энергии, которое также предусматривает другие исследования, решает, что "чистый энергетический баланс" получения этанольного топлива из зерна - 1.34...; Для биоэтанола из целлюлозы энергетический баланс 2.62...

Тем временем, некоторые университетские ученые доказывают, что энергетический баланс отрицательный. Аргументы предоставившие этими критиками - недостаточны, поскольку как они поинимают, энергия использованная для дистилляции должна быть получена от нефти. Но опыт Бразилии показывает, что такая энергия может быть предусмотрена горением сельскохозяйственной пустой породы от исходного посева (т.е. соломы)[24]. Кроме того эти критики доказывают, что доза пестицида использованная в этанольных посевах тукая же как и в посевах для человеческого потребления, но это условие явно противоречит фактам.

Для того, чтобы оценить чистую энергию этанола, должны считаться пять переменных :

сумма энергии содержащемся в конечном этанольном продукте,
энергетическая величина побочных продуктов, произведенных в течение процесса промышленного производства этанола (главным образом сухая барда -- DDGS --, которая используется для питания животных),
сумма энергии непосредственно поглощенной, чтобы сделать этанол (как например, дизель использованный на тракторах, чтобы вырастить зерно, энергия использованныя, чтобы сделать удобрение для зерна и энергия нагрева для использования в процессе дистилляции),
качество результирующего этанола по сравнению с качеством очищенного бензина,
косвенно поглощенная энергия (для того, чтобы работал завод, и т.п.).

Другими словами, энергия которая нужна чтобы запускать тракторы, производить удобрение, обрабатывать этанол, и энергия связанная с износом всего оборудования, использованного в процессе, (амортизация активов), может быть больше, чем энергия полученная при сжигании этанола.

Два важных недостатка приведены в ответ на этот аргумент. Во-первых, проигнорировано энергетическое качество, экономические эффекты от которого больше. Главные экономические эффекты энергетического качества заключаются в следующем: издержки на очистку зараженной бензином почвы и воздушное загрязнение, происходящее при рафинировании нефти и сгорании бензина, а также издержки на поддержание здоровья рабочих. Во-вторых, более высокое октановое число этанола можно также учесть как более термически эффективное преобразование химической энергии в механическую энергию.

Но производство и сжигание галлона чистого этанола все еще бессмысленно, если оно подразумевает сжигание двух галлонов грязного бензина, для создания этого галлона этанола. Новые методы создания этанола могут коренным образом сдвинуть производство в положительный энергетический баланс.

Защита Окружающей среды

По сравнению со стандартным бензином, этанол - источник топлива чистого горения. Этанол вступая в реакцию с кислородом, формирует углекислый газ и воду:

C2H6O + 3 O2 > 2 CO2 + 3 H2O

Чтобы уменьшить эмиссию угарного газа в стандартный бензин необходимо дополнительно насыщать кислородом. Добавка MTBE (Метил Трет Бутилового Эфира) из-за загрязняющего воздействия на подземные водные источники запрещена в США, следовательно этанол становится привлекательной альтернативной добавкой. Так как этанольная добавка более летуча, то она испаряет бензин, таким образом производя более летучие органические составы (VOCs).

Использование этанола, а не бензина в вашей машине уменьшает общие углекислые эмиссии, на милю, около 13%. Считается, что этанол является углеродным нейтральным топливом, поскольку если сахарный тростник остался бы гнить, то он должен произвести то же количество CO2, что и горение этанола, произведенного из него [25].

В рассматриваемом потенциале для уменьшения загрязнения с этанолом, тем не менее, одинаково важно рассматривать потенциал заражения окружающей среды от производства этанола. В 2002, проверка этанола обнаружила, что он выпустили VOCs значительно больше, чем прежде предполагалось [26]. Агентство по Защите Окружающей среды впоследствии достигало урегулирования с Archer Daniels Midland и Cargill, двумя самыми большими производителями этанола, чтобы уменьшить эмиссию этих VOCs. VOCs возникают, когда перебродившее зерновой замес высушивают для продажи как дополнение для питания домашнего скота. Устройства, называемые термическими окислителями или каталитическими окислителями, могут быть приложены к заводам, чтобы дожигать опасные газы.

Эффекты этанола в сельском хозяйстве

Сторонники защиты окружающей среды имеют множество возражений против современных методов земледелия, включая некоторые более конкурентоспособные методы применяемые для получения биоэтанола ("заводское земледелие"). Поскольку более трети мировой земли должно быть преобразовано сельским хозяйством, для производства этанольного топлива [27].

Возобновляемый ресурс

Этанол считается "возобновляемым ресурсом" поскольку первоначально - это результат преобразования солнечной энергии в пригодную энергию. Пик в производстве нефти, тем не менее, предсказан между 2021 и 2112 [28]. Но только Бразилия является единственной страной в мире, где земледелие и производство этанола прибыльно.

Зависимость от иностранной нефти

Этанол - главный аргумент - для Соединенных Штатов и Европы, и главным образом Индии и Китая, которые поглощают больше ископаемого топлива, чем они могут извлечь со своей территории, и в результате становятся зависимыми от иностранных поставщиков . В 2006, Объединенное Королевство признало, что оно стала чистым энергетическим импортером и нуждается в иностранных источниках энергоснабжения.

Ссылки: