Топливно-энергетический баланс этанола
| Страна | Тип | Энергетический баланс |
|---|---|---|
 Соединенные Штаты |
Кукурузный этанол | 1.3 |
 Бразилия |
Этанол из сахарного тростника | 8 |
 Германия |
Биодизель | 2.5 |
| Соединенные Штаты |
Целлюлозный этанол | †2–36 |
† в зависимости от способа производства
Чтобы создать этанол, вся биомасса должна пройти некоторые из этих этапов: ее нужно вырастить, собрать, высушить, ферментировать и сжечь. Все эти шаги требуют ресурсов и инфраструктуры. Отношение энергии, выделяемой при сжигании полученного этанольного топлива, к энергии, используемой в процессе, известно как энергетический баланс этанолового топлива (иногда называемый « Чистый прирост энергии ») и изучается как часть более широкой области экономики энергетики . Цифры собраны из журнала National Geographic за 2007 год. статьи [ 1 ] указывают на скромные результаты для кукурузного (кукурузного) этанола, производимого в США: 1 единица энергозатрат равна 1,3 энергоединицам энергии кукурузного этанола. Энергетический баланс этанола из сахарного тростника, производимого в Бразилии, гораздо более благоприятный – 1 к 8. Однако за прошедшие годы было подготовлено множество отчетов с противоречивыми оценками энергетического баланса. Исследование Калифорнийского университета в Беркли, проведенное в 2006 году после анализа шести отдельных исследований, пришло к выводу, что для производства этанола из кукурузы требуется немного меньше нефти, чем для производства бензина. [ 2 ]
Отчеты об энергетическом балансе
[ редактировать ]В 1995 году Министерство сельского хозяйства США опубликовало отчет, в котором говорилось, что чистый энергетический баланс кукурузного этанола в Соединенных Штатах составлял в среднем 1,24. Ранее считалось, что он имеет отрицательный чистый энергетический баланс. Однако благодаря увеличению урожайности кукурузы и более эффективным методам ведения сельского хозяйства кукурузный этанол стал более энергоэффективным . [ 3 ]
Кен Кассман , профессор агрономии Университета Небраски-Линкольн , сказал в 2008 году, что этанол имеет значительный чистый положительный прямой энергетический баланс: из этанола получается на 1,5–1,6 единиц энергии больше, чем используется для его производства. Сравнивая 2008 и 2003 годы, Алан Тиманн из Сьюарда, член Совета по кукурузе штата Небраска, сказал, что заводы по производству этанола производят на 15 процентов больше этанола из бушеля кукурузы и используют в процессе примерно на 20 процентов меньше энергии. В то же время производители кукурузы более эффективны, производя больше кукурузы на акр и используя для этого меньше энергии. [ 4 ]
Противники производства кукурузного этанола в США часто цитируют статью 2005 года. [ 5 ] Дэвида Пиментела , энтомолога на пенсии, и Тадеуша Пацека , инженера-геолога из Калифорнийского университета в Беркли. Оба крайне критически относились к этанолу и другим видам биотоплива. Их исследования утверждают, что этанол и биотопливо в целом являются «энергетически отрицательными», то есть для их производства требуется больше энергии, чем содержится в конечном продукте.
Статья 2006 года [ 6 ] in Science предлагает единодушное мнение, что современные технологии кукурузного этанола имеют такие же выбросы парниковых газов, как и бензин, но гораздо менее нефтеемки, чем бензин. Ископаемое топливо также требует значительных энергозатрат, которые редко учитывались в прошлом. [ нужна ссылка ]
Этанол – не единственный продукт, созданный в процессе производства. Побочные продукты также содержат энергию. Кукуруза обычно на 66% состоит из крахмала, а остальные 33% не ферментируются. Этот неферментированный компонент называется дистиллятным зерном, он богат жирами и белками и является хорошей добавкой к корму для животных. [ 7 ]
В 2000 году доктор Майкл Ванг из Аргоннской национальной лаборатории написал, что эти побочные продукты этанола являются наиболее спорным вопросом при оценке энергетического баланса этанола. Он написал, что Пиментел предполагает, что кукурузный этанол полностью заменяет бензин, и поэтому количество побочных продуктов слишком велико, чтобы их мог поглотить рынок, и они становятся отходами. При меньших объемах производства Ван считает целесообразным кредитовать кукурузный этанол на основе энергетической потребности кормового продукта или товара, который заменяет побочный продукт этанол. [ 8 ] В 2004 году в отчете Министерства сельского хозяйства США было обнаружено, что учет сопутствующих продуктов определяет разницу между энергетическими коэффициентами 1,06 и 1,67. [ 9 ] [ 10 ] В 2006 году исследователь Массачусетского технологического института Тиффани Груд пришла к аналогичным выводам по поводу проблемы сопутствующих продуктов. [ 11 ]
В Бразилии, где используется сахарный тростник, урожайность выше, а преобразование в этанол более энергоэффективно, чем преобразование кукурузы. Недавние разработки в области производства целлюлозного этанола могут еще больше повысить урожайность. [ 12 ]
В 2006 году исследование Университета Миннесоты показало, что этанол из кукурузного зерна производит 1,25 единицы энергии на единицу введенного количества. [ 13 ]
Исследование, проведенное в 2008 году Университетом Небраски, выявило энергетический баланс 5,4 для этанола, полученного специально из проса проса . [ 14 ] [ 15 ] Эта оценка лучше, чем в предыдущих исследованиях, и, по мнению авторов, отчасти из-за большего размера полевых испытаний (3-9 га ) на 10 фермах.
Переменные
[ редактировать ]По данным Министерства энергетики , [ 16 ] для оценки чистой энергии этанола необходимо учитывать четыре переменные:
- количество энергии, содержащейся в конечном этанольном продукте
- количество энергии, непосредственно потребляемой для производства этанола (например, дизельного топлива, используемого в тракторах )
- качество получаемого этанола по сравнению с качеством очищенного бензина
- косвенно потребляемая энергия (для строительства завода по переработке этанола и т. д.).
Большая часть текущих академических дискуссий по поводу этанола в настоящее время вращается вокруг вопросов системных границ. Это относится к тому, насколько полная картина потребляемой энергии. Ведутся споры о том, следует ли включать такие элементы, как энергия, необходимая для питания людей, ухаживающих и перерабатывающих кукурузу, для возведения и ремонта фермерских заборов, даже количество энергии, которую представляет трактор.
Кроме того, нет единого мнения о том, какую ценность придавать остальной части кукурузы (например, стеблю), широко известной как «побочный продукт». Некоторые исследования оставляют его в поле, чтобы защитить почву от эрозии и добавить органические вещества, в то время как другие берут и сжигают побочный продукт для питания завода по производству этанола, но не решают возникающую в результате эрозию почвы (которая потребует энергии в виде удобрений). заменить). В зависимости от исследования этанола, которое вы читаете, чистая энергетическая отдача варьируется от 0,7 до 1,5 единиц этанола на единицу потребляемой энергии ископаемого топлива. Для сравнения, та же самая единица ископаемого топлива, вложенная в добычу нефти и газа (в 48 нижних штатах), даст 15 единиц бензина, что на порядок лучше, чем нынешние технологии производства этанола, игнорируя приведенные выше аргументы в отношении качества энергии и Дело в том, что прирост (14 единиц) одновременно снижается и не является углеродно-нейтральным. [ 17 ]
В этом отношении география решающим фактором является . В тропических регионах с обильными водными и земельными ресурсами, таких как Бразилия и Колумбия , жизнеспособность производства этанола из сахарного тростника больше не подвергается сомнению; Фактически, сжигание остатков сахарного тростника ( выжимок ) генерирует гораздо больше энергии, чем необходимо для работы заводов по производству этанола, и многие из них сейчас продают электроэнергию коммунальным предприятиям. Однако, хотя на данный момент может наблюдаться положительная чистая энергетическая отдача, недавние исследования показывают, что плантации сахарного тростника не являются устойчивыми в долгосрочной перспективе, поскольку они истощают почву питательными веществами и углеродом. [ нужна ссылка ] С другой стороны, продуктивность сахарного тростника на площадь земли в Бразилии на протяжении десятилетий постоянно росла; Было доказано, что сахарный тростник менее истощает почву, чем крупный рогатый скот и однолетние культуры; [ 18 ] и в стране есть много регионов, где сахарный тростник выращивается на протяжении веков. [ 19 ] Эти факты свидетельствуют о том, что связанные с этим процессы истощения почвы происходят очень медленно, и поэтому этанол из сахарного тростника может быть гораздо более устойчивым в долгосрочной перспективе, чем обычные альтернативы ископаемому топливу. Кроме того, поскольку в случае этанола из сахарного тростника избыток энергии высок, предположительно, часть этой энергии может быть использована для синтеза удобрений и восполнения истощения почв в течение длительного времени, что делает этот процесс бесконечно устойчивым.
, картина иная В других регионах, например, на большей части территории США , где климат слишком прохладный для выращивания сахарного тростника. В США сельскохозяйственный этанол обычно получают из зерна , главным образом кукурузы . Но его также можно получить из целлюлозы , более энергетически сбалансированного биоэтанола.
Чистое производство биоэтанола
[ редактировать ]Чистое производство биоэтанола [ 20 ] биотопливо, полученное путем максимального использования парниковых газов возобновляемых ресурсов, не выделяющих :
- энергия, непосредственно потребляемая для производства этанола, является возобновляемой энергией . Сельскохозяйственное оборудование и завод по производству этанола используют этаноловый двигатель , биодизель , воздушный двигатель или электричество, вырабатываемое при производстве этанола, или даже энергию ветра и солнечную энергию .
- косвенно потребляемая энергия является, насколько это возможно, возобновляемой. Примерами могут служить сокращение количества или содержания ископаемого углерода в применяемых химикатах и удобрениях для борьбы с вредителями или осуществление поставок на рынок сельскохозяйственных материалов или готового биоэтанольного топлива, что сводит к минимуму использование ископаемого топлива. Оптимально расположенное производство биомассы и этанола должно сбалансировать множество факторов: минимизацию расстояний до рынков и обратно, эффективный сбор и использование отходов биомассы, максимизацию урожайности сельскохозяйственных культур на основе устойчивого качества почвы , доступных естественных средств борьбы с вредителями и достаточного количества солнца и воды, а также оптимизацию достаточного сочетания и ротация видов растений на возделываемых, залежных и заповедных землях для потребления человеком, животными и энергии.
Использование этанола возвращает углерод в атмосферу, тогда как сжигание бензина добавляет углерод в атмосферу. Таким образом, последствия сжигания бензина со временем усиливаются.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Green Dreams Дж. К. Борн-младший, Р. Кларк, журнал National Geographic, октябрь 2007 г., стр. 41 статья
- ↑ Сандерс, Роберт (26 января 2006 г.). Этанол может заменить бензин, обеспечивая значительную экономию энергии и сопоставимое воздействие на выбросы парниковых газов . Группа энергетических ресурсов Калифорнийского университета в Беркли , Дэн Каммен и Алекс Фаррелл; Майкл О'Хара, Школа государственной политики Голдмана. Также опубликовано 27 ЯНВАРЯ 2006 г. ТОМ 311 Science, www.sciencemag.org. Проверено 22 августа 2011 г.
- ^ Оценка чистого энергетического баланса кукурузного этанола Хосейн Шапури, Джеймс А. Даффилд и Майкл С. Грабоски, Отчет по экономике сельского хозяйства № (AER721), 24 стр., июль 1995 г. http://www.ers.usda.gov/media/926108 /aer721.pdf Архивировано 24 сентября 2015 г. в Wayback Machine.
- ^ Исследование UNL: Повышение энергоэффективности этанола - 29 сентября 2008 г.
- ^ Производство этанола с использованием кукурузы, проса и древесины; Производство биодизеля с использованием сои и подсолнечника Дэвид Пиментел и Тэд В. Патцек Natural Resources Research, Vol. 14, № 1, март 2005 г. два : 10.1007/s11053-005-4679-8 «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2007 года . Проверено 17 февраля 2007 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Этанол может способствовать достижению энергетических и экологических целей Александр Э. Фаррелл, Ричард Дж. Плевин, Брайан Т. Тернер, Эндрю Д. Джонс, Майкл О'Хара, Дэниел М. Каммен 506, 27 января 2006 г., том 311 Science http://rael .berkeley.edu/ebamm/FarrellEthanolScience012706.pdf
- ^ http://www.ddgs.umn.edu/more.htm. Архивировано 6 августа 2007 г. в Университете Wayback Machine , Миннесота.
- ^ «Этанол на основе кукурузы действительно дает энергетические преимущества» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 декабря 2013 г. Проверено 5 января 2008 г.
- ^ «Чистый энергетический баланс кукурузного этанола за 2001 год» . Архивировано из оригинала 13 сентября 2008 г. Проверено 5 января 2008 г.
- ^ «Энергетический баланс кукурузного этанола: обновленная информация» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2007 г. Проверено 19 января 2012 г.
- ^ Обзор использования энергии этанола на основе кукурузы и выбросов парниковых газов [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/5353118.stm Биотопливо – взгляд на следующее поколение
- ^ Хилл, Джейсон; Нельсон, Эрик; Тилман, Дэвид; Поласки, Стивен; Тиффани, Дуглас (25 июля 2006 г.). «Экологические, экономические и энергетические затраты и преимущества биодизельного и этанольного биотоплива» . Труды Национальной академии наук . 103 (30): 11206–10. Бибкод : 2006PNAS..10311206H . дои : 10.1073/pnas.0604600103 . ПМК 1544066 . ПМИД 16837571 .
- ^ , сообщается на Травяное биотопливо «сокращает выбросы CO 2 на 94%» bbc.co.uk http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/7175397.stm
- ^ М.Р. Шмер, К.П. Фогель, Р.Б. Митчелл и Р.К. Перрин Чистая энергия целлюлозного этанола из проса PNAS, опубликованная 7 января 2008 г. , два : 10.1073/pnas.0704767105
- ^ Министерство энергетики: Программа по биомассе: Чистый энергетический баланс для производства и использования биоэтанола. Цитата: «...Наиболее официальное исследование по этому вопросу, в котором также рассматриваются другие исследования, приходит к выводу, что «чистый энергетический баланс» производства топливного этанола из зерна кукурузы составляет 1.34...Для целлюлозного биоэтанола, находящегося в центре внимания Программы по биомассе, в этом исследовании прогнозируется энергетический баланс 2,62...Ожидается, что анализ жизненного цикла Программы по биомассе при производстве этанола из печи, который сейчас проводится, покажет очень впечатляющий коэффициент полезной энергии более 5..."
- ^ Чистая энергия от добычи нефти и газа в США Катлер Дж. Кливленд http://www.bu.edu/cees/people/faculty/cutler/articles/Net_%20Energy_US_Oil_gas.pdf Архивировано 11 сентября 2006 г. на Wayback Machine (pdf)
- ^ На пути к устойчивому производству этанола из сахарного тростника в Бразилии Делсио Родригес и Лусия Ортис http://www.vitaecivilis.org.br/anexos/etanol_sustainability.pdf. Архивировано 2 ноября 2010 г. в Wayback Machine (pdf).
- ^ Рекс А. Хадсон, изд. Бразилия: страновое исследование. Вашингтон: Генеральный офис Библиотеки Конгресса, 1997. http://countrystudies.us/brazil/57.htm.
- ^ INEOS Bio: Биоэтанол: Цитата об устойчивом развитии: «Независимая оценка жизненного цикла, проведенная Eunomia при производстве INEOS Bio Ethanol из отходов биомассы, показывает, что может быть достигнута экономия парниковых газов более чем на 90% по сравнению с бензином... Эта экономия значительно выше, чем у самого эффективного на сегодняшний день биоэтанола, который представляет собой этанол из сахарного тростника, производимый в Бразилии (сообщается, что он обеспечивает до 70% экономии парниковых газов)». дата=июль 2011 г.