Данная статья была подготовлена мною в качестве расчетно-графической работы в университете (Уфимский государственный авиационный технический университет). Зачет по предмету сдан еще прошлым летом и я, наконец, вспомнил,  что собирался выложить этот материал на блоге.

Название дисциплины: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».

Тема работы: «Спиртовое топливо. Этанол. Мировой опыт, плюсы и минусы».

Содержание

1. Введение. Спиртовые топлива. Метанол

2. Этанол

2.1. Сырьё для производства биоэтанола

2.2. Методы производства

2.3. Этанол как топливо

2.4. Топливные смеси этанола

2.5. Энергоэффективность этанола

2.6. Топливный баланс этанола

2.7. Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

2.8. Минусы этанола. Мнение ООН

1. Введение. Спиртовые топлива. Метанол

Как компоненты моторных топлив спирты – метанол, этанол ранее в периоды острой нехватки топлива уже использовались. В настоящее время за рубежом наибольший практический опыт накоплен по использованию этилового спирта.

В начале 70-х гг. в связи с возрастающими требованиями к качеству используемых топлив, необходимостью расширения сырьевой базы производства моторных топлив возрос интерес и к использованию метанола как топлива или добавки к нему.

Значительный интерес к спиртовым топливам, особенно метанольному, обусловлен рядом причин, из которых главными являются:

• в экологическом отношении такие топлива более приемлемы, чем синтетический бензин и другие не нефтяные топлива;
• хранение и распределение аналогично бензину;
• их применение дает возможность достичь повышения топливной экономичности двигателя.

Все это достигается при одновременном расширении ресурсов моторных топлив нефтяного происхождения.

Технически доказана возможность использования метанола:

• в количестве 5 и 15%-ной добавки к бензину;
• для производства высокооктановой добавки к топливу – МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир);
• для производства бензина из метанола;
• в чистом виде.

Бензометанольная смесь, содержащая 5% метанола, ввиду расслаивания при температуре -3 °С может быть использована как летний вид топлива. Если использовать 1,5 млн тонн метанола в качестве такой добавки, расширение ресурсов моторных топлив может составить 0,8 млн т. В целом безметанольные смеси стабильны в эксплуатации, выхлопы компонентов в отработанных газах значительно снижены:

• углеводородов на 10…20%;
• оксидов азота на 30…35%.

В настоящее время в лабораториях проводят работ по использованию метанола в чистом виде. Однако такое использование требует значительных изменений конструкций серийных двигателей, которые не могут быть осуществлены на современном уровне развитии техники. Отрабатывают раздельную подачу метанола от бензина. Такие двойные топливные системы имеют ряд преимуществ. По данным ГосНИИметанолпроекта при внедрении двойных топливных систем потребуется расход метанола в объеме до 10% объема бензина и он может использоваться во всех климатических зонах. Такая подача топлива позволяет также использовать низкооктановый бензин.

2. Этанол (биоэтанол)

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 топлив» (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.).

2.1. Сырьё для производства биоэтанола

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.

2.2. Методы производства

2.2.1. Брожение

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.

2.2.2. Промышленное производство спирта из биологического сырья

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

• подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (прежде всего ржи и 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.

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

2.3. Этанол как топливо

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.

2.4. Топливные смеси этанола

• 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).
• 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.

2.5. Энергоэффективность этанола

В декабре 2007 года Университет Северной Дакоты и Центр Автомобильных Исследований Миннесоты (MnCAR) опубликовали результаты исследования энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте. 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.

2.6. Топливный баланс этанола

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.

2.7. Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

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 отсутствуют (по состоянию на 2011 г.).

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 СО₂ эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

2.8 Минусы этанола. Мнение ООН

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 %.

Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО) продолжает борьбу против использования продуктов питания для изготовления топлива.

По мнению ФАО, это ухудшает продовольственную ситуацию по всей планете, и угрожает продовольственной безопасности, а также может привести к голоду. Кроме того, использование сельхозкультур для производства топлива приводит к росту цен на сельхозтовары.

В Америке для изготовления этанола применяют кукурузу, а в Европе — масличные культуры. На этом фоне фьючерсные контракты на поставку кукурузы в январе 2012г. достигли уровня 6,115 долларов за бушель на торговой бирже в Чикаго. Это в три раза выше показателей десятилетней давности — 2,1175 долларов.

Для производства этанола из сахарного тростника в Бразилии используют 3% всех сельхозземель в стране. Однако пока это не влияет на мировые цены и поставки сладкого продукта на мировые рынки.

ФАО провела исследования, где пытались выявить страну, в которой дальнейшее производство биотоплива из сельхозкультур не несет ущерба, и даже может развиваться. США в список таких стран не попали, оставшись далеко позади латиноамериканских лидеров — Бразилия, Парагвай, Аргентина и Колумбия.

Список использованной литературы

1. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : учебное пособие / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. – 2-е изд., стер. – М. : КНОРУС, 2012. – 240 с.
2. Биоэтанол: // Википедия. [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Е10.
3. Екатерина Акдоган. ФАО определило 3 страны, в которых безопасно изготавливать топливо из сельхозкультур: // Казах Зерно. [Электронный ресурс]. URL: http://www.kazakh-zerno.kz.