Alkoholbränsle
Olika alkoholer används som bränsle för förbränningsmotorer . De första fyra alifatiska alkoholerna ( metanol , etanol , propanol och butanol ) är av intresse som bränsle eftersom de kan syntetiseras kemiskt eller biologiskt, och de har egenskaper som gör att de kan användas i förbränningsmotorer. Den allmänna kemiska formeln för alkoholbränsle är C n H 2n+1 OH .
Det mesta av metanol framställs av naturgas, även om det kan framställas från biomassa med mycket liknande kemiska processer. Etanol framställs vanligtvis av biologiskt material genom jäsningsprocesser . Biobutanol har fördelen i förbränningsmotorer genom att dess energitäthet är närmare bensin än de enklare alkoholerna (medan den fortfarande har över 25 % högre oktantal); dock är biobutanol för närvarande svårare att framställa än etanol eller metanol. När de erhålls från biologiska material och/eller biologiska processer är de kända som bioalkoholer (t.ex. "bioetanol"). Det finns ingen kemisk skillnad mellan biologiskt framställda och kemiskt framställda alkoholer.
En fördel som delas av de fyra stora alkoholbränslena är deras höga oktantal . Detta tenderar att öka deras bränsleeffektivitet och uppväger till stor del den lägre energitätheten hos alkoholbränslen för fordon (jämfört med bensin/bensin och diesel), vilket resulterar i jämförbar "bränsleekonomi" i termer av avstånd per volym, såsom kilometer per volym. liter eller miles per gallon.
Metanol och etanol
Metanol och etanol kan båda härröra från fossila bränslen, biomassa eller från koldioxid och vatten. Etanol har oftast framställts genom jäsning av sockerarter, och metanol har oftast framställts från syntesgas, men det finns modernare sätt att få fram dessa bränslen. Enzymer kan användas istället för jäsning. Metanol är den enklare molekylen, och etanol kan tillverkas av metanol. Metanol kan tillverkas industriellt från nästan vilken biomassa som helst, inklusive animaliskt avfall, eller från koldioxid och vatten eller ånga genom att först omvandla biomassan till syntesgas i en förgasare . Det kan också tillverkas i ett laboratorium med hjälp av elektrolys eller enzymer.
Som bränsle har metanol och etanol båda fördelar och nackdelar jämfört med bränslen som bensin (bensin) och dieselbränsle . I gnisttändningsmotorer kan båda alkoholerna köras med mycket högre avgasåtercirkulationshastigheter och med högre kompressionsförhållanden . Båda alkoholerna har ett högt oktantal , med etanol vid 109 RON ( forskningsoktantal ), 90 MON ( motoroktantal ), (vilket motsvarar 99,5 AKI ) och metanol vid 109 RON, 89 MON (vilket motsvarar 99 AKI). Notera att AKI hänvisar till " Anti-Knock Index " som ger ett genomsnitt av RON- och MON-värdena (RON+MON)/2, och används på amerikanska bensinstationspumpar. Vanlig europeisk bensin är typiskt 95 RON, 85 MON, lika med 90 AKI. Som bränsle för kompressionständningsmotorer skapar båda alkoholerna väldigt lite partiklar, men deras låga cetantal gör att ett tändförbättrare som glykol måste blandas in i bränslet vid ca. 5 %.
När de används i gnisttändningsmotorer har alkoholer potential att minska NOx , CO , HC och partiklar. Ett test med E85-driven Chevrolet Luminas visade att NMHC sjönk med 20-22%, NOx med 25-32% och CO med 12-24% jämfört med omformulerad bensin. Giftiga utsläpp av bensen och 1,3-butadien minskade också medan utsläppen av aldehyd ökade, ( särskilt acetaldehyd ).
Avgasutsläppen av CO 2 minskar också på grund av det lägre kol-till-väte-förhållandet för dessa alkoholer och förbättrad motoreffektivitet.
Metanol och etanolbränslen innehåller lösliga och olösliga föroreningar. Halidjoner , som är lösliga föroreningar, såsom kloridjoner, har en stor effekt på korrosiviteten hos alkoholbränslen. Halidjoner ökar korrosion på två sätt: de angriper kemiskt passiverande oxidfilmer på flera metaller och orsakar gropkorrosion, och de ökar bränslets konduktivitet. Ökad elektrisk ledningsförmåga främjar elektrisk, galvanisk och vanlig korrosion i bränslesystemet. Lösliga föroreningar som aluminiumhydroxid, i sig en produkt av korrosion av halogenidjoner, täpper till bränslesystemet med tiden.
För att förhindra korrosion måste bränslesystemet vara tillverkat av lämpligt material, elektriska ledningar måste vara ordentligt isolerade och bränslenivågivaren måste vara av puls- och hålltyp, magnetoresistiv eller annan liknande beröringsfri typ. Dessutom bör högkvalitativ alkohol ha en låg koncentration av föroreningar och ha en lämplig korrosionsinhibitor tillsatt. Vetenskapliga bevis visar att vatten är en hämmare för korrosion av etanol.
Experimenten görs med E50, som är mer aggressiv och påskyndar korrosionseffekten. Det är mycket tydligt att genom att öka mängden vatten i bränsleetanol kan man minska korrosion. Vid 2 % eller 20 000 ppm vatten i etanolbränslet upphörde korrosionen. I linje med observationerna i Japan är vattenhaltig etanol känt för att vara mindre frätande än vattenfri etanol. Reaktionsmekanismen är 3 EtOH + Al -> Al(OEt) 3 + 3 ⁄ 2 H 2 vid blandningar i lägre mitten. När tillräckligt med vatten finns i bränslet, kommer aluminium att reagera företrädesvis med vatten för att producera Al 2 O 3 , vilket reparerar det skyddande aluminiumoxidskiktet. Aluminiumalkoxiden bildar inte ett tätt oxidskikt; vatten är nödvändigt för att reparera hålen i oxidskiktet.
Metanol och etanol är oförenliga med vissa polymerer. Alkoholen reagerar med polymererna och orsakar svullnad, och med tiden bryter syre ned kol-kolbindningarna i polymeren vilket orsakar en minskning av draghållfastheten. Men under de senaste decennierna har de flesta bilar designats för att tåla upp till 10 % etanol (E10) utan problem. Detta inkluderar både bränslesystemkompatibilitet och lambdakompensation [ förtydligande behövs ] för bränsleleverans med bränsleinsprutningsmotorer med sluten slinga lambdakontroll. I vissa motorer kan etanol försämra vissa sammansättningar av plast- eller gummikomponenter för bränsletillförsel avsedda för konventionell bensin, och även vara oförmögen att lambdakompensera bränslet ordentligt. [ citat behövs ]
"FlexFuel"-fordon har uppgraderat bränslesystem och motorkomponenter som är designade för lång livslängd med E85 eller M85, och ECU:n kan anpassas till vilken bränsleblandning som helst mellan bensin och E85 eller M85. Typiska uppgraderingar inkluderar modifieringar av: bränsletankar, bränsletanks elektriska ledningar, bränslepumpar, bränslefilter, bränsleledningar, påfyllningsrör, bränslenivåsensorer, bränsleinsprutare, tätningar, bränsleskenor, bränsletrycksregulatorer, ventilsäten och inloppsventiler. "Total Flex"-bilar avsedda för den brasilianska marknaden kan använda E100 (100 % etanol). [ citat behövs ]
En liter etanol frigör 21,1 MJ vid förbränning, en liter metanol 15,8 MJ och en liter bensin cirka 32,6 MJ. Med andra ord, för samma energiinnehåll som en liter eller en gallon bensin behöver man 1,6 liter/gallon etanol och 2,1 liter/gallon metanol. Siffrorna för råenergi per volym ger emellertid missvisande siffror för bränsleförbrukning, eftersom alkoholdrivna motorer kan göras betydligt mer energieffektiva. En större andel av den energi som frigörs vid förbränning av en liter alkoholbränsle kan omvandlas till nyttigt arbete. Denna skillnad i effektivitet kan helt eller delvis balansera skillnaden i energitäthet, [ behövd hänvisning ] beroende på vilka motorer som jämförs.
Metanolbränsle har föreslagits som ett framtida biobränsle, ofta som ett alternativ till vätgasekonomin . Metanol har en lång historia som racingbränsle. Tidig Grand Prix Racing använde blandade blandningar såväl som ren metanol. Bränslet användes främst i Nordamerika efter kriget. [ förtydligande behövs ] Emellertid har metanol för tävlingsändamål till stor del varit baserad på metanol framställd från syngas som härrör från naturgas och därför skulle denna metanol inte anses vara ett biobränsle. Metanol är dock ett möjligt biobränsle när syngasen härrör från biomassa .
I teorin kan metanol också framställas från hållbart anskaffad biomassa och i slutändan koldioxid, och genom väteelektrolys med hjälp av kärnkraft, geotermisk kraft eller någon annan förnybar energikälla (se Carbon Recycling International ). Jämfört med bioetanol är den främsta fördelen med biobränsle med metanol dess mycket högre effektivitet mellan hjulen. Detta är särskilt relevant i tempererade klimat där gödningsmedel behövs för att odla socker eller stärkelsegrödor för att göra etanol, medan metanol kan framställas från ogödslad biomassa av lignocellulosa (ved).
Etanol används redan i stor utsträckning som bränsletillsats , och användningen av etanolbränsle enbart eller som en del av en blandning med bensin ökar. Jämfört med metanol är dess främsta fördel att den är mindre frätande och ogiftig, även om bränslet kommer att ge några giftiga avgaser. Sedan 2007 Indy Racing League använt etanol som sitt exklusiva bränsle, efter 40 års användning av metanol. Sedan september 2007 har bensinstationer i NSW, Australien fått mandat att leverera all sin bensin med 2 % etanolhalt
Butanol och propanol
Propanol och butanol är betydligt mindre giftiga och mindre flyktiga än metanol. Speciellt har butanol en hög flampunkt på 35 °C, vilket är en fördel för brandsäkerheten, men kan vara en svårighet för att starta motorer i kallt väder. Begreppet flampunkt är dock inte direkt applicerbart på motorer då kompressionen av luften i cylindern gör att temperaturen är flera hundra grader Celsius innan antändning sker.
Jäsningsprocesserna för att producera propanol och butanol från cellulosa är ganska svåra att genomföra, och Weizmann-organismen ( Clostridium acetobutylicum ) som för närvarande används för att utföra dessa omvandlingar producerar en extremt obehaglig lukt, och detta måste tas med i beräkningen när man designar och lokaliserar en jäsningsanläggning . Denna organism dör också när butanolhalten i vad den än jäser stiger till 2%. Som jämförelse jäst när etanolhalten i dess råvara når 14 %. Specialiserade stammar tål ännu högre etanolkoncentrationer – så kallad turbojäst tål upp till 16 % etanol. Men om vanlig Saccharomyces-jäst kan modifieras för att förbättra dess etanolresistens, kan forskare ännu en dag producera en stam av Weizmann-organismen med en butanolresistens högre än den naturliga gränsen på 7%. Detta skulle vara användbart eftersom butanol har en högre förbränningsenergitäthet än etanol, och eftersom avfallsfibrer som blir över från sockergrödor som används för att tillverka etanol kan göras till butanol, vilket ökar alkoholutbytet av bränslegrödor utan att behöva plantera fler grödor.
Trots dessa nackdelar har DuPont och BP nyligen meddelat att de tillsammans ska bygga en småskalig demonstrationsanläggning för butanolbränsle vid sidan av den stora bioetanolfabrik som de utvecklar tillsammans med Associated British Foods .
Företaget Energy Environment International utvecklade en metod för att framställa butanol från biomassa, som innebär att två separata mikroorganismer används i sekvens för att minimera produktionen av aceton och etanolbiprodukter.
Det schweiziska företaget Butalco GmbH använder en speciell teknik för att modifiera jäst för att producera butanol istället för etanol. Jästsvampar som produktionsorganismer för butanol har avgörande fördelar jämfört med bakterier.
Butanolförbränning: C 4 H 9 OH + 6O 2 → 4CO 2 + 5H 2 O + värme
Propanolförbränning: 2C 3 H 7 OH + 9O 2 → 6 CO 2 + 8H 2 O + värme
3-kolalkoholen, propanol (C 3 H 7 OH), används inte ofta som en direkt bränslekälla för bensinmotorer (till skillnad från etanol, metanol och butanol), och de flesta används som lösningsmedel. Det används dock som vätekälla i vissa typer av bränsleceller; den kan generera en högre spänning än metanol, vilket är det bränsle som är det bästa bränslet för de flesta alkoholbaserade bränsleceller. Men eftersom propanol är svårare att producera än metanol (biologiskt eller från olja), föredras metanolanvändande bränsleceller framför de som använder propanol.
Efter land
Brasilien
Brasilien var tills nyligen den största producenten av alkoholbränsle i världen, typiskt jäsande etanol från sockerrör .
Landet producerar totalt 18 miljarder liter (4,8 miljarder gallon) årligen, varav 3,5 miljarder liter exporteras, 2 miljarder av dem till de amerikanska alkoholbilarna som debuterade på den brasilianska marknaden 1979 och blev ganska populära på grund av en stor subvention, men under 1980-talet steg priserna och bensinen återtog den ledande marknadsandelen.
Men från 2003 och framåt har alkoholen snabbt ökat sin marknadsandel igen på grund av ny teknik som involverar flexibla bränslemotorer , kallade "Flex" eller "Total Flex" av alla större biltillverkare ( Volkswagen , General Motors , Fiat , etc.) . "Flex"-motorer fungerar med bensin, alkohol eller någon blandning av båda bränslena. I maj 2009 är mer än 88 % av nya fordon som säljs i Brasilien flexbränsle.
På grund av den brasilianska ledande produktionen och tekniken blev många länder mycket intresserade av att importera alkoholbränsle och anamma fordonskonceptet "Flex". Den 7 mars 2007 besökte USA:s president George W. Bush staden São Paulo för att underteckna avtal med den brasilianske presidenten Luiz Inácio Lula da Silva om import av alkohol och dess teknologi som alternativt bränsle.
Kina
Redan 1935 har Kina tillverkat bilar som drivs med alkoholbränsle. Kina har rapporterat att med en användning av 70% metanol till konventionell bensin är det oberoende av råolja .
National Committee of Planning and Action Coordination for Clean Automobile hade listat nyckelteknologier relaterade till alkohol/eterbränsle och accelererad industrialisering på sin huvudagenda. Alkoholbränslen hade blivit en del av fem huvudsakliga alternativa bränslen: Två av dem var alkoholer; metanol och etanol
Förenta staterna
- Se E85 i USA
I slutet av 2007 producerade USA 26,9 miljarder liter (7 miljarder gallon) per år. E10 eller Gasohol marknadsförs vanligtvis i Delaware och E85 finns i många stater, särskilt i Mellanvästern där etanol från majs produceras lokalt.
Många stater och kommuner har ålagt att allt bensinbränsle ska blandas med 10 procent alkohol (vanligtvis etanol) under en del eller hela året. Detta för att minska föroreningarna och tillåter dessa områden att följa federala föroreningsgränser. Eftersom alkohol är delvis syresatt, producerar den mindre övergripande föroreningar, inklusive ozon . I vissa områden (särskilt Kalifornien) kan reglerna även kräva andra formuleringar eller tillsatta kemikalier som minskar föroreningarna, men som ökar bränsledistributionens komplexitet och ökar kostnaden för bränslet.
europeiska unionen
| Land | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 |
|---|---|---|---|---|
 Frankrike
|
871 | 1,719 | 3,164 | 4,693 |
 Tyskland
|
1,682 | 3,544 | 3,448 | 4,675 |
 Sverige
|
1,681 | 1 894 | 2 119 | 2,488 |
 Nederländerna
|
0 | 179 | 1 023 | 1,512 |
 Spanien
|
1,314 | 1 332 | 1,512 | 1 454 |
 Polen
|
329 | 611 | 837 | 1,382 |
 Storbritannien
|
502 | 563 | 906 | 1 223 |
 Finland
|
0 | 10 | 20 | 858 |
 Österrike
|
0 | 0 | 199 | 633 |
 Ungern
|
28 | 136 | 314 | 454 |
 Tjeckien
|
0 | 13 | 1 | 378 |
 Irland
|
0 | 13 | 59 | 207 |
 Litauen
|
10 | 64 | 135 | 182 |
 Belgien
|
0 | 0 | 0 | 145 |
 Slovakien
|
0 | 4 | 140 | 76 |
 Bulgarien
|
- | 0 | 0 | 72 |
 Danmark
|
0 | 42 | 60 | 50 |
 Slovenien
|
0 | 2 | 9 | 28 |
 Estland
|
0 | 0 | 0 | 17 |
 Lettland
|
5 | 12 | 0 | 0 |
 Luxemburg
|
0 | 0 | 14 | 11 |
 Portugal
|
0 | 0 | 0 | 0 |
 Italien
|
59 | 0 | 0 | 0 |
 Grekland
|
0 | 0 | 0 | 0 |
 Rumänien
|
- | 0 | 0 | 0 |
 Malta
|
0 | 0 | 0 | 0 |
 Cypern
|
0 | 0 | 0 | 0 |
 europeiska unionen
|
6,481 | 10,138 | 13,962 | 20,538 |
|
1 toe = 11,63 MWh, 0 = inga data Alkoholförbrukningen anger inte trafikbränsleanvändningen 2008 års uppgifter är inte bekräftade ännu |
||||
Japan
Det första alkoholbränslet i Japan började med GAIAX 1999. GAIAX utvecklades i Sydkorea och importerades av Japan. Huvudingrediensen var metanol.
Eftersom GAIAX inte var bensin var det ett skattefritt föremål för Japans gasskatt . Men som ett resultat kom användningen av GAIAX att betraktas som en smuggling i Japan av regeringen och petroleumindustrin. Återförsäljning av GAIAX gjordes för att undvika kritiken av skatteflykt genom att självständigt betala dieselbränsleskatten i rättssystemets bestämmelser.
Oavsiktliga fordonsbränder där GAIAX tankades började rapporteras runt 2000 när skatteflyktsdiskussionen nästan hade avslutats. Bilindustrin i Japan kritiserade GAIAX och sa att "bränder bröt ut eftersom alkohol med hög densitet hade korroderat bränslerören". GAIAX utsågs till ett "alkoholbränsle med hög densitet", och en kampanj genomfördes för att utesluta det från marknaden på lång sikt. Slutligen ministeriet för ekonomi, handel och industri med i denna kampanj.
Bensinkvalitetsmetoden reviderades under förevändning av säkerhetsproblem 2003. Detta förbjöd tillverkning och försäljning av "High density alcohol fuel", och lade till ett betydande försäljningsförbud för GAIAX. Genom att revidera lagen förbjuds bränsletillverkarna att tillsätta 3 % eller mer alkohol till bensin. Denna lagändring är skäl för att inte kunna sälja alkoholbränsle större än E3 i Japan.
Petroleumindustrin i Japan fortsätter nu med forskning och utveckling av ett original alkoholbränsle som skiljer sig från GAIAX. Kommersiell tillverkning och försäljning av alla nya bränslen kan dock hindras av befintliga lagar som för närvarande utesluter GAIAX från marknaden. Dessutom kan den japanska konsumentens starka motvilja mot ett alkoholbränsle med hög densitet av alla slag förhindra kommersiell framgång för något nytt bränsle.
Se även
externa länkar
- Världsbanken, Biobränslen: Löftet och riskerna. World Development Report 2008: Agriculture for Development
- Biobutanol från EERE .
- http://www.greencarcongress.com/biobutanol/index.html
- https://web.archive.org/web/20080528051420/http://www.ethanol.org/pdf/contentmgmt/2007_Ethanol_Fact_Book.pdf