Этанол. Альтернативное топливо для транспорта

1. Введение

Спирт (этанол) в качестве жидкого топлива может использоваться в двигателях внутреннего сгорания как в чистом виде, так и в смеси с бензином. Поэтому потенциально им можно заменить и (или) с его помощью оптимизировать и потребление топлива на транспорте в большинстве стран мира. Существует несколько широко распространённых видов сырья, используемых для производства спирта, а сама технология его производства успешно применяется во многих странах мира. Спирт обладает подходящими характеристиками горения - полным сгоранием и высоким октановым числом. Благодаря этим характеристикам и современным высоким ценам на нефть мировое производство топливного этанола увеличилось более чем в два раза в период с 2000 по 2005 год (уровень мирового потребления нефти за этот период увеличился на 7%).

2. Свойства

Энергоэффективность двигателей внутреннего сгорания, модернизированных для работы на спирте, на 20% выше, чем в случае использования бензина, а у двигателей, специально разработанных для использования спирта - более, чем на 30%. Более того, использование спирта в качестве автомобильного топлива дает ряд экологических преимуществ, в частности, сокращаются выбросы в атмосферу свинца, CO2, SO2, твердых частиц, углеводородов и CO.

Из-за различия химических характеристик этанола и бензина работа с этанолом требует несколько иного подхода. Например, этанол переходит из жидкого состояния в газообразное (испаряется) медленнее бензина. Это означает, что при использовании чистого этанола (100%) запуск двигателя из холодного состояния будет усложнен. Тем не менее, эту проблему можно решить путем изменения конструкции двигателя и состава топлива. Модернизация конструкции двигателя также позволяет повысить эффективность его работы. И хотя показатель теплотворности 1 литра этанола по сравнению с 1 литром бензина составляет 2/3, конструктивные изменения двигателя могут повысить эффективность его работы. Кроме того, поскольку этанол является продуктом органического происхождения, в случае разлива топлива процесс его биологического разложения происходит быстрее и легче, чем у бензина.

3. Производство

Этанол - топливо из спирта - может вырабатываться путём преобразования в спирт крахмалосодержащего сырья (например, кукурузы, картофеля, свеклы, сахарного тростника, пшеницы). Процесс ферментации в основном похож на процесс, который применяется для получения алкогольных напитков. В нём с использованием дрожжей и тепла происходит разложение сложных сахаров (углеводов) на более простые с получением этанола. Существует также относительно новый способ производства этанола, где в виде сырья используется биомасса, содержащая целлюлозу (например, деревья, трава, сельскохозяйственные отходы). Целлюлоза представляет собой ещё один вид углеводов, который также может быть разложен на более простые. Этот способ получения этанола ещё относительно новый и до сих пор не имеет промышленного применения. В то же время, потенциально он предоставляет более широкий выбор недорогого, имеющегося в изобилии сырья.

Жмых сахарного тростника, так называемая багасса, является сырьем для производства этанола.

Сахарный тростник - самый распространенный в мире источник сырья для получения этанола путём ферментации. Он является одним из наиболее эффективных с точки зрения фотосинтеза растений: при оптимальных сельскохозяйственных условиях годовой показатель эффективности фотосинтеза составляет 2,5%. Ещё одно преимущество заключается в том, что багасса, или тростниковый жмых, может использоваться как топливо на электростанциях. Ботва и листья сахарного тростника также могут использоваться для выработки электроэнергии. Таким образом, эффективно работающий спиртовой завод, использующий сырье из сахарного тростника, может быть энергетически независимым и даже иметь избыток электроэнергии.

Получение этанола путём ферментации включает четыре основных этапа:

• выращивание, сбор и доставка сырья на спиртовой завод;
• предварительная обработка или превращение сырья в субстрат, пригодный для использования в процессе ферментации этанола;
• процесс ферментации субстрата в спирт и его отчистка путём перегонки;
• обработка отходов процесса ферментации с целью снижения загрязнения окружающей среды и получения полезных субпродуктов.

В последнее десятилетие технология и эффективность процесса ферментации развивались быстрыми темпами. Сейчас в этой области продолжается внедрение ряда технических инноваций, направленных на использование новых альтернативных материалов и снижение затрат. Однако технологические достижения не окажут такого влияния на рост рынка, как стоимость и наличие сырья, а также как цена на существующее конкурентное жидкое топливо.

Разнообразное сырье, используемое для производства биоэтанола, можно разделить на три вида:

• сахар, получаемый из сахарного тростника, сахарной свеклы и фруктов, - он может быть напрямую преобразован в этанол;
• получаемый из зерна и корнеплодов крахмал, который изначально надо подвергнуть гидролизу под воздействием ферментов для получения углеводов для дальнейшей их ферментации с целью получения этанола;
• целлюлоза из древесины, сельскохозяйственных отходов и т.п., преобразуемая в углеводы путем гидролиза под воздействием кислот или ферментов.

Последняя из вышеперечисленных технологий является новой. Она применяется пока только в демонстрационных целях и всё ещё считается экономически нецелесообразной. Основной интерес вызывают такие виды сырья как сахарный тростник, маис, некоторые виды древесины, маниока и сорго (хлебный злак). Также этанол вырабатывают из лактозы, полученной из кисломолочных отходов; к примеру, в Ирландии - для производства питьевого спирта, а также в Новой Зеландии - для производства топливного этанола. До сих пор нерешённой проблемой остаётся сезонный характер сбора урожая, т.е. часто возникает необходимость в наличии альтернативного сырья для обеспечения бесперебойной работы завода в течение всего года.

Завод по производству этанола, штат Индиана, США

В зависимости от используемого сырья объёмы получаемого биотоплива существенно различаются (см. диаграмму). Наибольшие объёмы топлива в расчёте на один гектар получают из сахарного тростника (этанол) и пальмового масла (биодизель).

Производство этанола и биодизеля из разных видов сырья

Сегодня в США из сахарного тростника ежегодно производят около 6 миллиардов литров этанола. Мировые объёмы производства этанола путём ферментации выросли в восемь раз, начиная с 1977 года, и достигли значения около 20 миллиардов литров в год. Страны Латинской Америки во главе с Бразилией являются крупнейшими в мире производителями этанола. Бразилия и Аргентина уже производят большие объёмы этанола. Ряд стран, таких как Боливия, Коста-Рика, Гондурас и Парагвай всерьёз рассматривают возможность использования этанола. В ряде африканских стран-производителей сахара - Кении, Малави, ЮАР и Зимбабве - проводится довольно агрессивная политика, направленная на продвижение этанола. К странам, обладающим огромным потенциалом в этой области, относятся Мавритания, Свазиленд и Замбия.

Сахарная промышленность некоторых стран находится на современном технологическом уровне, при этом себестоимость производства - низкая. Широкомасштабное производство этанола нацелено на диверсификацию использования сахарного тростника, снижение импорта энергии, более эффективное использование местных ресурсов и, косвенно, на повышение уровня охраны окружающей среды. Вышеперечисленные факторы, наряду с относительно низким спросом на жидкое автомобильное топливо, делают использование этанола в качестве топлива столь привлекательным в развивающихся странах. Мировой интерес к этанолу как топливу значительно вырос за последние несколько лет в связи с резким ростом цен на нефть.

К другим причинам относятся: всевозрастающая обеспокоенность состоянием окружающей среды, а также возможность решения некоторых социально-экономических проблем, таких как использование сельскохозяйственных земель и перепроизводство пищевых продуктов. В развивающихся странах интерес к спиртовому топливу поддерживается за счёт низких цен на сахар на мировых рынках, а также по стратегическим соображениям. По мере того как растёт понимание значимости этанола как топлива, всё больше стран проводят у себя политику, направленную на поддержку развития и использования этанола в качестве топлива.

Производство этанола в мире

Ведущие производители топлива из этанола (2005 г.)

4. Охрана окружающей среды

Использование этанола даже в низкосодержащих этаноловых смесях (например, E10, в которых - 10% этанола и 90% бензина) может иметь значительный положительный экологический эффект. Тестирование показало, что при использовании E10 сокращаются выбросы в атмосферу монооксида углерода (CO), диоксида серы (SO2) и диоксида углерода (CO2) по сравнению с блендированным бензином (RFG). Однако, по сравнению с RFG E10 "производит" большее количество летучих органических соединений, твёрдых частиц и оксидов азота (NOx). При сжигании смесей с более высоким содержанием этанола (E85 с содержанием всего 15% бензина) или даже чистого этанола (E100) образуется во много раз меньше выбросов в атмосферу фактически всех вышеуказанных загрязняющих веществ.

Энергетический баланс

Различные виды сырья, используемого для производства этанола, имеют различный энергетический баланс (отношение теплотворная способность/энергозатраты). По данным американских экспертов, производство этанола является энергоэффективным, поскольку в результате "вырабатывается" на 25% больше энергии, чем было израсходовано на выращивание и сбор урожая и непосредственно на само производство этанола. Результаты исследований, проведенных в 2006 году, показали, что производство этанола из кукурузы является энергоэффективным процессом. Отношение теплотворности к энергозатратам равно 1,5-1,6. Более высоких показателей можно достичь при использовании в качестве сырья сахарного тростника или целлюлозы (см. таблицу).

5. Бразилия

C момента своего внедрения в 1975 году Бразильская программа по использованию этанола (ProAlcool) является крупнейшим в мире примером коммерческого использования биомассы для выработки энергии. В ходе реализации программы были успешно доказаны технические возможности крупномасштабного производства этанола из сахарного тростника и его использования в качестве топлива для автомобилей.

Бразилия впервые применила этанол в качестве автомобильного топлива в 1903 году. Сегодня в этой стране действует крупнейшая в мире программа по использованию этанола. С момента создания Национальной программы ProAlcool в 1975 году, в Бразилии из сахарного тростника было произведено более 90 млрд литров этанола. По данным за 2005 год, установленная мощность отрасли превышает 16 млрд литров. Более 16 млрд литров этанола замещают импорт около 250 тысяч баррелей нефти в день.

В 1979 году почти 5 млн автомобилей работали на чистом этаноле, а ещё 9 млн - на 20-22%-ной смеси спирта с бензином. За период с 1976 по 1987 год общая сумма инвестиций в программу ProAlcool достигла 7 млн долларов США, а общая сумма средств, сэкономленных на импорте энергоносителей, на сегодня достигает 400 млрд долларов США. В 1988 году почти 100% произведённых автомобилей работали на этаноле. После снижения цены на нефть (ниже 20 долларов США за баррель) в программе ProAlcool в Бразилии наблюдался значительный спад (в 1997-1998 годах почти не было произведено новых автомобилей, работающих на этаноле). С ростом цены на нефть выше 40 долларов США за баррель (начиная с 2005 года) возникли новые материальные стимулы для расширения программы по использованию этанола. Сегодня в Бразилии почти 50% транспортных средств работают на чистом этаноле, а остальные - на смесях спирта с бензином. Смеси с 10%-ным содержанием этанола вообще не требуют модификации двигателя.

Помимо главной цели - снижения импорта энергоносителей, реализация программы ProAlcool преследует такие цели:

• защита сельскохозяйственной отрасли (в частности - выращивание сахарного тростника);
• рост использования местных источников возобновляемой энергии;
• развитие спиртовой отрасли промышленности и продвижение технологий по производству и использованию промышленных спиртов;
• достижение равных темпов социально-экономического развития регионов путём увеличения объёмов сельскохозяйственных земель, задействованных в спиртовом производстве;
• создание новых рабочих мест.

Несмотря на то, что реализация программы ProAlcool происходила централизовано, производство спирта осуществляется частным сектором и носит ецентрализованный характер. Программа ProAlcool, с одной стороны, ускорила темпы технологического развития, с другой стороны, снизила себестоимость производства в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности. Бразилия развила современный и эффективный сельскохозяйственный бизнес, конкурентоспособный на мировом уровне. Сегодня спиртовая промышленность является одной из крупнейших в Бразилии, а бразильские компании экспортируют спиртовые технологии во многие страны мира. Благодаря созданию программы ProAlcool широкое развитие получила и химическая промышленность страны.

Химические заводы, специализирующиеся на производстве этанола, намного более подходят для развивающихся стран, чем нефтехимические заводы, поскольку они менее масштабны, требуют меньших инвестиций, могут создаваться в сельскохозяйственных районах и, кроме того, могут использовать сырьё местного производства.

Социальное развитие

Создание рабочих мест в сельской местности является одним из важнейших положительных результатов программы ProAlcool, поскольку производство спирта в Бразилии - очень трудоёмкий процесс. Было создано более 700 тыс. рабочих мест непосредственно в отрасли и в три-четыре раза больше рабочих мест, косвенно связанных с производством этанола. Инвестиции на создание одного рабочего места в спиртовой промышленности составляют от 12 до 22 тыс. долларов США, что приблизительно в 20 раз меньше, чем, например, в химической промышленности.

Разделы модуля 6