Модуль 6.3

Этанол. Альтернативне паливо для транспорту

1. Вступ

Спирт (етанол) як рідке паливо може використовуватися в двигунах внутрішнього згоряння як у чистому вигляді, так і в суміші з бензином. Тому потенційно їм можна замінити та (або) з його допомогою оптимізувати і споживання палива на транспорті у більшості країн світу. Існує кілька широко поширених видів сировини, що використовуються для виробництва спирту, а сама технологія його виробництва успішно застосовується у багатьох країнах світу. Спирт має відповідні характеристики горіння - повним згорянням і високим октановим числом. Завдяки цим характеристикам та сучасним високим цінам на нафту світове виробництво паливного етанолу збільшилося більш ніж у два рази в період з 2000 по 2005 рік (рівень світового споживання нафти за цей період збільшився на 7%).

2. Свойства

Енергоефективність двигунів внутрішнього згоряння, модернізованих для роботи на спирті, на 20% вища, ніж у разі використання бензину, а у двигунів, спеціально розроблених для використання спирту - більш ніж на 30%. Більше того, використання спирту як автомобільного палива дає низку екологічних переваг, зокрема, скорочуються викиди в атмосферу свинцю, CO2, SO2, твердих частинок, вуглеводнів та CO.

Малюнок 1

Через відмінність хімічних характеристик етанолу та бензину робота з етанолом потребує дещо іншого підходу. Наприклад, етанол переходить з рідкого стану в газоподібний (випаровується) повільніше за бензин. Це означає, що при використанні чистого етанолу (100%) запуск двигуна холодного стану буде ускладнений. Тим не менш, цю проблему можна вирішити шляхом зміни конструкції двигуна та складу палива. Модернізація конструкції двигуна також дає змогу підвищити ефективність його роботи. І хоча показник теплотворності 1 літра етанолу в порівнянні з 1 літром бензину становить 2/3, конструктивні зміни двигуна можуть підвищити ефективність його роботи. Крім того, оскільки етанол є продуктом органічного походження, у разі розливу палива процес його біологічного розкладання відбувається швидше та легше, ніж у бензину.

3. Виробництво

Етанол - паливо зі спирту - може вироблятися шляхом перетворення на спирт крохмалевмісної сировини (наприклад, кукурудзи, картоплі, буряків, цукрової тростини, пшениці). Процес ферментації переважно схожий процес, який застосовується щоб одержати алкогольних напоїв. У ньому з використанням дріжджів та тепла відбувається розкладання складних цукрів (вуглеводів) на простіші з отриманням етанолу. Існує також відносно новий спосіб виробництва етанолу, де у вигляді сировини використовується біомаса, що містить целюлозу (наприклад дерева, трава, сільськогосподарські відходи). Целюлоза є ще один вид вуглеводів, який також може бути розкладений на більш прості. Цей спосіб отримання етанолу ще відносно новий і досі немає промислового застосування. У той же час, потенційно він надає ширший вибір недорогої сировини, що є удосталь.

Макуха цукрової тростини, так звана багаса, є сировиною для виробництва етанолу. Малюнок 2

Цукрова тростина - найпоширеніше у світі джерело сировини для отримання етанолу шляхом ферментації. Він є одним із найбільш ефективних з погляду фотосинтезу рослин: за оптимальних сільськогосподарських умов річний показник ефективності фотосинтезу становить 2,5%. Ще одна перевага полягає в тому, що багаса, або очеретяна макуха, може використовуватися як паливо на електростанціях. Бадилля і листя цукрової тростини також можуть використовуватися для вироблення електроенергії. Таким чином, ефективно працюючий спиртовий завод, який використовує сировину з цукрової тростини, може бути енергетично незалежною і навіть мати надлишок електроенергії.

Отримання етанолу шляхом ферментації включає чотири основні етапи:

  • вирощування, збирання та доставка сировини на спиртовий завод;
  • попередня обробка або перетворення сировини на субстрат, придатний для використання в процесі ферментації етанолу;
  • процес ферментації субстрату в спирт та його очищення шляхом перегонки;
  • обробка відходів процесу ферментації з метою зниження забруднення навколишнього середовища та отримання корисних субпродуктів.

В останнє десятиліття технологія та ефективність процесу ферментації розвивалися швидкими темпами. Наразі в цій галузі продовжується запровадження низки технічних інновацій, спрямованих на використання нових альтернативних матеріалів та зниження витрат. Однак технологічні досягнення не вплинуть на зростання ринку, як вартість та наявність сировини, а також як ціна на існуюче конкурентне рідке паливо.

Різноманітну сировину, що використовується для виробництва біоетанолу, можна розділити на три види:

  • цукор, що одержується з цукрової тростини, цукрових буряків та фруктів, - він може бути безпосередньо перетворений на етанол;
  • отриманий із зерна та коренеплодів крохмаль, який спочатку треба піддати гідролізу під впливом ферментів для отримання вуглеводів для подальшої їх ферментації з метою отримання етанолу;
  • целюлоза з деревини, сільськогосподарських відходів тощо, що перетворюється на вуглеводи шляхом гідролізу під впливом кислот або ферментів.

Остання з перерахованих вище технологій є новою. Вона застосовується поки що лише в демонстраційних цілях і все ще вважається економічно недоцільною. Основний інтерес викликають такі види сировини як цукрова тростина, маїс, деякі види деревини, маніока та сорго (хлібний злак). Також етанол виробляють із лактози, отриманої з кисломолочних відходів; Наприклад, в Ірландії - для питного спирту, а також у Новій Зеландії - для виробництва паливного етанолу. Досі невирішеною проблемою залишається сезонний характер збирання врожаю, тобто. часто виникає необхідність альтернативної сировини для забезпечення безперебійної роботи заводу протягом усього року.

Завод з виробництва етанолу, штат Індіана, США

Малюнок 3 Малюнок 4

Залежно від використовуваної сировини обсяги біопалива істотно різняться (див. діаграму). Найбільші обсяги палива в розрахунку на один гектар одержують із цукрової тростини (етанол) та пальмової олії (біодизель).

Виробництво етанолу та біодизелю з різних видів сировини Малюнок 5

Сьогодні в США із цукрової тростини щороку виробляють близько 6 мільярдів літрів етанолу. Світові обсяги виробництва етанолу шляхом ферментації зросли у вісім разів, починаючи з 1977 року, і досягли значення близько 20 мільярдів літрів на рік. Країни Латинської Америки на чолі з Бразилією є найбільшими у світі виробниками етанолу. Бразилія та Аргентина вже виробляють великі обсяги етанолу. Низка країн, таких як Болівія, Коста-Ріка, Гондурас і Парагвай всерйоз розглядають можливість використання етанолу. У ряді африканських країн-виробників цукру – Кенії, Малаві, ПАР та Зімбабве – проводиться досить агресивна політика, спрямована на просування етанолу. До країн, які мають величезний потенціал у цій галузі, належать Мавританія, Свазіленд і Замбія.

Цукрова промисловість деяких країн знаходиться на сучасному технологічному рівні, при цьому собівартість виробництва - низька. Широкомасштабне виробництво етанолу націлене на диверсифікацію використання цукрової тростини, зниження імпорту енергії, більш ефективне використання місцевих ресурсів та, побічно, на підвищення рівня охорони навколишнього середовища. Вищеперелічені фактори, поряд із відносно низьким попитом на рідке автомобільне паливо, роблять використання етанолу як паливо настільки привабливим у країнах, що розвиваються. Світовий інтерес до етанолу як палива значно зріс за останні кілька років через різке зростання цін на нафту.

До інших причин належать: дедалі більша стурбованість станом навколишнього середовища, а також можливість вирішення деяких соціально-економічних проблем, таких як використання сільськогосподарських земель та перевиробництво харчових продуктів. У країнах, що розвиваються, інтерес до спиртового палива підтримується за рахунок низьких цін на цукор на світових ринках, а також з стратегічних міркувань. У міру того, як зростає розуміння значущості етанолу як палива, все більше країн проводять у себе політику, спрямовану на підтримку розвитку та використання етанолу як паливо.

Виробництво етанолу у світі

Провідні виробники палива з етанолу (2005 р.)

Виробництво (млн літрів)
Бразилія 16 500
Сполучені Штати 16230
Китай 2 000
Європейський Союз 950
Індія 300
Малюнок 6
Євро за літр бензинового еквівалента
Етанол із цукрової тростини (Бразилія) 0,20 - 0 30
Етанол із кукурудзи (США) 0,30 - 0,50
Бензин (опт) 0,30 - 0,55
Етанол із зерна (ЄС) 0,40 - 0,65
Етанол із целюлози 0,65 - 1,00

4. Охорона навколишнього середовища

Малюнок 7

Використання етанолу навіть у низьковмісних етанолових сумішах (наприклад, E10, у яких - 10% етанолу та 90% бензину) може мати значний позитивний екологічний ефект. Тестування показало, що при використанні E10 скорочуються викиди в атмосферу монооксиду вуглецю (CO), сірки діоксиду (SO2) і діоксиду вуглецю (CO2) в порівнянні з блендованим бензином (RFG). Однак, в порівнянні з RFG E10 "виробляє" більшу кількість летких органічних сполук, твердих частинок та оксидів азоту (NOx). При спалюванні сумішей з більш високим вмістом етанолу (E85 з вмістом всього 15% бензину) або навіть чистого етанолу (E100) утворюється в багато разів менше викидів в атмосферу фактично всіх вищевказаних забруднюючих речовин.

Енергетичний баланс

Різні види сировини, що використовується для виробництва етанолу, мають різний енергетичний баланс (відношення теплотворної здатності/енерговитрати). За даними американських експертів, виробництво етанолу є енергоефективним, оскільки в результаті "виробляється" на 25% більше енергії, ніж було витрачено на вирощування та збирання врожаю і безпосередньо на саме виробництво етанолу. Результати досліджень, проведених у 2006 році, показали, що виробництво етанолу з кукурудзи є енергоефективним процесом. Відношення теплотворності до енерговитрат дорівнює 1,5-1,6. Високих показників можна досягти при використанні як сировина цукрової тростини або целюлози (див. таблицю).

Сировина Ставлення теплотворність/енерговитрати Посилання
Етанол (целюлоза) 2 - 36 2.62 Lorenz and Morris
(5+) DOE
(10.31) Wang
(35.7) Elsayed et al.
Етанол (цукрова тростина) 2 - 8 (2.09) Gehua et al.
(8.3) Macedo et al.
Етанол (пшениця) 2 - 4 (2.05) ADEME/DIREM
(2.02–2.31) Elsayad et al.
(2.81–4.25) Gehua
Етанол (цукровий буряк) 2 (1.85–2.21) Elsayad et al.
(2.05) ADEME/DIREM
Етанол (кукурудза) 1,5 (1.34) Shapouri 1995
(1.38) Wang 2005
(1.38) Lorenz and Morris
(1.3–1.8); Richards

5. Бразилія

З моменту свого впровадження в 1975 Бразильська програма з використання етанолу (ProAlcool) є найбільшим у світі прикладом комерційного використання біомаси для вироблення енергії. У ході реалізації програми були успішно доведені технічні можливості великомасштабного виробництва етанолу з цукрової тростини та її використання як паливо для автомобілів.

Бразилія вперше застосувала етанол як автомобільне паливо 1903 року. Сьогодні у цій країні діє найбільша у світі програма з використання етанолу. З моменту створення Національної програми ProAlcool у 1975 році, в Бразилії з цукрової тростини було вироблено понад 90 млрд літрів етанолу. За даними за 2005 рік, встановлена ​​потужність галузі перевищує 16 млрд літрів. Понад 16 млрд літрів етанолу заміняють імпорт близько 250 тисяч барелів нафти на день.

У 1979 році майже 5 млн автомобілів працювали на чистому етанолі, а ще 9 млн - на 20-22% суміші спирту з бензином. За період з 1976 по 1987 рік загальна сума інвестицій у програму ProAlcool досягла 7 млн. доларів США, а загальна сума коштів, зекономлених на імпорті енергоносіїв, на сьогодні досягає 400 млрд. доларів США. У 1988 році майже 100% вироблених автомобілів працювали на етанолі. Після зниження ціни на нафту (нижче 20 доларів США за барель) у програмі ProAlcool у Бразилії спостерігався значний спад (у 1997-1998 роках майже не було вироблено нових автомобілів, що працюють на етанолі). Зі зростанням ціни на нафту вище 40 доларів США за барель (починаючи з 2005 року) виникли нові матеріальні стимули для розширення програми використання етанолу. Сьогодні у Бразилії майже 50% транспортних засобів працюють на чистому етанолі, а решта – на сумішах спирту з бензином. Суміші з 10% вмістом етанолу взагалі не вимагають модифікації двигуна.

Окрім головної мети - зниження імпорту енергоносіїв, реалізація програми ProAlcool має такі цілі:

  • захист сільськогосподарської галузі (зокрема - вирощування цукрової тростини);
  • зростання використання місцевих джерел відновлюваної енергії;
  • розвиток спиртової галузі промисловості та просування технологій з виробництва та використання промислових спиртів;
  • досягнення рівних темпів соціально-економічного розвитку регіонів шляхом збільшення обсягів сільськогосподарських земель, задіяних у спиртовому виробництві;
  • створення нових робочих місць.

Незважаючи на те, що реалізація програми ProAlcool відбувалася централізовано, виробництво спирту здійснюється приватним сектором і носить ецентралізований характер. Програма ProAlcool, з одного боку, прискорила темпи технологічного розвитку, з іншого боку, знизила собівартість виробництва у сільському господарстві та інших галузях промисловості. Бразилія розвинула сучасний та ефективний сільськогосподарський бізнес, конкурентоспроможний на світовому рівні. Сьогодні спиртова промисловість є однією з найбільших у Бразилії, а бразильські компанії експортують спиртові технології до багатьох країн світу. Завдяки створенню програми ProAlcool широкого розвитку набула і хімічна промисловість країни.

Хімічні заводи, що спеціалізуються на виробництві етанолу, набагато більше підходять для країн, що розвиваються, ніж нафтохімічні заводи, оскільки вони менш масштабні, вимагають менших інвестицій, можуть створюватися в сільськогосподарських районах і, крім того, можуть використовувати сировину місцевого виробництва.

>

Соціальний розвиток

Створення робочих місць у сільській місцевості є одним із найважливіших позитивних результатів програми ProAlcool, оскільки виробництво спирту в Бразилії - дуже трудомісткий процес. Було створено понад 700 тис. робочих місць безпосередньо у галузі та втричі-вчетверо більше робочих місць, побічно пов'язаних з виробництвом етанолу. Інвестиції на створення одного робочого місця у спиртовій промисловості становлять від 12 до 22 тис. доларів США, що приблизно в 20 разів менше, ніж, наприклад, у хімічній промисловості.

Розділи модуля 6