Бразильская биотопливная промышленность

Этанол — это биотопливо, которое используется в качестве замены примерно 3% бензина на основе ископаемого топлива, потребляемого сегодня в мире. Большая часть этого биотоплива производится из сахарного тростника в Бразилии и кукурузы в США. Мы представляем здесь обоснование программы по производству этанола в Бразилии, ее нынешний «статус» и ее перспективы.Обсуждаются экологические преимущества программы, особенно вклад этанола в сокращение выбросов парниковых газов, а также ограничения ее расширения.

Введение

Топливный этанол, произведенный из биомассы, уже почти столетие считается подходящим автомобильным топливом, особенно для автомобилей, оснащенных двигателями с искровым зажиганием (технически называемых двигателями с циклом Отто, но широко известными как бензиновые двигатели). Этанол не использовался в значительных количествах до середины 1970-х годов. Резкий рост стоимости нефти во время первого нефтяного кризиса наложил тяжелое валютное бремя на страны, зависящие от импорта нефти, включая Бразилию. Будучи ведущим производителем сахара из сахарного тростника, Бразилия имела хорошие возможности для изучения возможности использования этанола в качестве альтернативы бензину. Это побудило правительство поощрять переориентацию части производства сахарного тростника на производство этанола в качестве замены бензина, что привело к сокращению импорта нефти.

Согласно плану правительства Бразилии, государственная нефтяная компания PETROBRAS закупит у производителей гарантированное количество этанола. Кроме того, агропромышленным предприятиям, желающим производить этанол, были предоставлены экономические стимулы в виде низких процентных ставок. В результате с 1980 по 1985 год в виде кредитов было получено почти 2,0 миллиарда долларов США, что составляет 29% от общего объема необходимых инвестиций [1]. На основе такой политики производство этанола с годами быстро росло, достигнув 18 миллиардов литров в 2007 году.

Этанол из сахарного тростника, произведенный в надлежащих условиях, по существу является возобновляемым топливом и имеет явные преимущества перед бензином в снижении выбросов парниковых газов и улучшении качества воздуха в мегаполисах.

В этой статье мы рассматриваем технологические характеристики этанола как топлива, нынешний «статус» Программы по производству этанола в Бразилии, характеристики этанола как возобновляемого топлива, будущие перспективы Программы по производству этанола в Бразилии, после чего следует обсуждение возможность расширения производства этанола из сахарного тростника и выводы.

Технические характеристики этанола как топлива

Этанол – отличное моторное топливо. Он имеет моторное октановое число 98, что превышает октановое число бензина (октановое число 80). Он также имеет более низкое давление паров, чем бензин, что приводит к более низким выбросам в результате испарения. Воспламеняемость этанола на воздухе также ниже, чем у бензина, что снижает количество и серьезность возгораний транспортных средств. Безводный этанол имеет более низкую и более высокую теплотворную способность 21,2 и 23,4 МДж/л соответственно; для бензина значения составляют 30,1 и 34,9 МДж/л (см. [2]).

На основе более высокой теплотворной способности этанол имеет только 67% энергоемкости по сравнению с тем же объемом бензина. Однако, поскольку его октановое число выше, чем у бензина, его можно использовать в двигателях с более высокой степенью сжатия (12:1 по сравнению с соотношением 8:1, которое обычно встречается в двигателях, работающих на бензине). В результате двигатели, работающие на этаноле, примерно на 15 % более эффективны, чем двигатели, использующие бензин, что в некоторой степени компенсирует меньшую энергоемкость на единицу объема [3]. Как правило, требуется примерно на 20% больше этанола, чем бензина, на километр пробега.

В Бразилии этанол изначально использовался одним из двух способов:

• добавляют в бензин в качестве октаноповышающей добавки; типичные смеси содержат от 20% до 25% безводного (смесь, называемую газоголем; безводный этанол представляет собой 99,6% этанола Гей-Люссака (ГЛ), что выражает процентное содержание спирта в смеси) и 0,4% воды; этанола в топливе по объему, или

• самостоятельно, в двигателях на чистом этаноле; использовали в виде водного этанола по 95,5 гл.

Свойства этанола (в качестве топлива) привели к разработке в Бразилии специальных двигателей для чистого этанола. Первоначальные усилия были предприняты Centro de Tecnologia Aeronáutica (CTA) в штате Сан-Паулу, где до 1980 года проводилось большинство испытаний двигателей, работающих на смеси этанол-бензин и чистом этаноле [3].

В начале 1980-х автомобили с двигателями на чистом этаноле, которые могли использовать водный этанол, стали очень привлекательными для потребителей, поскольку правительство гарантировало, что цена на водный спирт будет эквивалентна 64,5% цены на бензин. Продажи автомобилей, работающих на чистом этаноле, резко выросли, и доля рынка, занимаемая этими автомобилями, увеличилась до более чем 90% всех продаж автомобилей. Общий парк автомобилей, работающих на чистом этаноле, в какой-то момент достиг 5 миллионов. Большинство заправочных станций были оснащены двумя резервуарами (один для безводного этанола, а другой для смесей этанола и бензина с содержанием этанола от 20% до 25%). Отсутствие гарантии производства этанола для снабжения этого расширяющегося рынка стало серьезной проблемой, и в начале 1990-х годов нехватка производства этанола привела к серьезному кризису и постепенному отказу от использования автомобилей, работающих на чистом этаноле. Были и другие проблемы, связанные с транспортными средствами, работающими на чистом этаноле, в том числе проблема невозможности их использования в соседних странах или в регионах Бразилии, где не было заправочных станций, способных поставлять чистый этанол.

Внедрение двигателей с гибким топливом в Бразилии в 2003 году решило эту проблему, поскольку они могут работать на смесях от E0 до E100. Технология основана на датчиках в топливной системе, которые автоматически распознают уровень этанола в топливе. Затем электронный блок управления двигателем автоматически калибруется для обеспечения наилучшей работы; если этанол отсутствует, двигатель автоматически откалибруется для работы только на бензине. Процесс происходит мгновенно и незаметно для водителя транспортного средства.

Текущий «статус» программы по производству этанола в Бразилии

В настоящее время действует 325 заводов, перерабатывающих 425 миллионов тонн сахарного тростника в год, примерно половина из которых используется для производства сахара, а другая половина — для производства этанола. В 2006 г. было произведено около 17,8 млрд литров этанола с использованием 2,9 млн га земли (таблица 1).

Производство этанола в Бразилии было начато в рамках высоко субсидируемой программы. Цена, уплаченная производителям в 1980 году, составляла 700 долларов США за 1000 литров; за прошедшие годы технологический прогресс и экономия за счет масштаба привели к снижению стоимости, которая в 2004 году достигла всего 200 долларов США за 1000 литров (рис. 2).

К 2004 году этанол в Бразилии стал экономически конкурентоспособным по сравнению с бензином, исходя из мировых цен на нефть (эквивалент 40 долларов США за баррель). При этих затратах производство этанола из сахарного тростника намного дешевле, чем из других культур, таких как кукуруза, пшеница и сахарная свекла (таблица 2).

Положительный энергетический баланс, связанный с этанолом на основе сахарного тростника, отражается в значительном сокращении (91%) выбросов парниковых газов в результате замены бензина этим биотопливом. Для сравнения, этанол из производства кукурузы, по оценкам, обеспечивает снижение выбросов парниковых газов на 18% [10]. Использование этанола в качестве замены бензина привело к общему сокращению выбросов углерода на 9,2 млн тонн углерода в год в Бразилии (10% от общего количества) [11, 12].

Будущие перспективы программы этанола в Бразилии

В настоящее время производство этанола в Бразилии осуществляется исключительно по технологиям первого поколения, основанным на использовании сахарозы, содержащейся в сахарном тростнике. Как обсуждалось выше, сахароза составляет только одну треть энергетического содержания сахарного тростника.

Эффективность производства этанола из сахарного тростника все еще можно повысить за счет усовершенствования сельскохозяйственных и промышленных этапов производственного процесса.Например, на сельскохозяйственном этапе хороший урожай сахарного тростника и высокий индекс TRS (общее извлекаемое количество сахара) являются основными факторами высокого выхода этанола на единицу посевной площади. Увеличение TRS от сахарного тростника было очень значительным: 1,5% в год в период 1977–2004 гг., что привело к увеличению с 95 до 140 кг/га. Извлечение сахара из сахарного тростника также увеличилось в период 1977–2003 гг. Среднегодовое улучшение составило 0,3%; некоторые мельницы уже достигли эффективности извлечения 98% (см. [4, 13]).

На рис. 4 показана динамика выхода этанола в период с 1975 по 2004 г.; за 29 лет эффективность производства этанола выросла на 3,77% в год.

В штате Сан-Паулу в ближайшие 10 лет ожидается увеличение урожая сахарного тростника на 12 % и увеличение TRS на 6,4 %. В сочетании с ожидаемым повышением эффективности брожения на 6,2% и извлечением сахара на 2% выход этанола может увеличиться на 29%, в результате чего средняя производительность по этанолу возрастет до 9000 л/га (см. [4, 14]).

Еще одним важным аспектом нынешней программы производства этанола в Бразилии является производство большого количества электроэнергии путем сжигания багассы с использованием усовершенствованных технологий. В первые дни программы багасса сжигалась неэффективно для производства тепла, необходимого для промышленной части процесса (дробление, ферментация и дистилляция), и существовал огромный избыток отходов багассы. Сегодня котлы высокого давления работают при давлении около 100 бар (в отличие от агрегатов низкого давления с давлением 20 бар, использовавшихся в прошлом); в результате рекуперация энергии увеличилась, и фактически существует большой избыток электроэнергии, которая поставляется в сеть [15]. В Таблице 3 приведены данные об ожидаемом излишке электроэнергии, который будет поставлен в сеть в 2015 году.

Таблица 3 Потенциал когенерации (сжигание жома сахарного тростника и мусора в котлах на 65 бар)

Обсуждение

Как упоминалось ранее, для производства этанола в Бразилии используется 2,9 миллиона гектаров сахарного тростника; еще 3,2 млн га используются для производства сахара. В таблице 4 показано землепользование в Бразилии, показывающее, что сахарный тростник занимает менее 10% сельскохозяйственных угодий.

Таблица 4 Землепользование в Бразилии [20]

Прогнозируемый рост использования автомобилей с гибким топливом предполагает, что спрос на этанол в Бразилии удвоится примерно через 10 лет. Частный сектор планирует построить заводы, необходимые для увеличения производства, что удвоит площадь земель, используемых для плантаций сахарного тростника (в основном в штате Сан-Паулу). Это будет сделано путем преобразования существующих пастбищ, которых насчитывается 237 млн ​​га [16, 17].

Есть опасения, что такое расширение может вызвать косвенное давление, толкающее скот в Амазонию, что приведет к дальнейшей вырубке лесов в этом районе, но прямых доказательств этому нет. Напротив, произошло то, что плотность скота на пастбищах увеличилась с 1,28 голов скота/га в 2001 году до 1,41 головы скота/га в 2005 году [18].

В мировом масштабе другие страны-производители сахара, такие как Индия, Китай, Таиланд, Пакистан, Мексика, Колумбия и Южная Африка, могут производить значительное количество этанола. В Колумбии уже действуют четыре крупных спиртзавода.

Вывод

Этанольная программа в Бразилии сегодня прочно утвердилась и заменяет примерно 40% бензина, который в противном случае потреблялся бы в стране, по конкурентоспособным ценам, используя 2,9 миллиона гектаров земли. Это привело к улучшению качества воздуха в столичном районе Сан-Паулу и сокращению выбросов парниковых газов.

Программа производства этанола в Бразилии заменила примерно 1,5% всего бензина, используемого в мире, и эта цифра, скорее всего, удвоится по мере расширения производства.Если нынешние темпы роста производства этанола в Бразилии сохранятся и если другие страны-производители сахара пойдут по пути, выбранному Бразилией, представляется возможным, что в ближайшие 15–15 лет можно будет заменить до 10% всего бензина, используемого в мире. 20 лет.

использованная литература

1. СЕНБИО: Рыночные и политические основы для устойчивого производства и торговли биотопливом: оценка состояния в основных странах-производителях. В Отчет МЦУР. Международный центр торговли и устойчивого развития; 2007. Google Академия
2. Коэльо С.Т., Голдемберг Дж.: Альтернативные виды топлива для транспорта: современные примеры. В Энциклопедия энергетики. Том 1. Амстердам: Эльзевир; 2004: 67-80. ГлаваGoogle Scholar
3. Морейра Дж. Р., Голдемберг Дж.: Алкогольная программа.Энергетическая политика 1999, 27: 227-229. 10.1016/S0301-4215(99)00005-1 СтатьяGoogle Scholar
4. Институт Wordwatch: Биотопливо для транспорта – глобальный потенциал и последствия для устойчивой энергетики и сельского хозяйства. сканирование Земли. 2007. Google Академия
5. Государственное агентство по охране окружающей среды Сан-Паулу (CETESB): Отчет о качестве воздуха в Сан-Паулу, 2003 г.[http://www.cetesb.sp.gov.br/Ar/relatorios.asp]
6. Goldemberg J, Coelho ST, Guardabassi PM: Устойчивость производства этанола из сахарного тростника.Энергетическая политика 2008. doi:10.1016/j.enpol.2008.02.028 Google Scholar
7. Датагро: O Crescimento perfect do setor e o tamanho do mercado mundial.Revista Мнения 2007. [http://www.revistaopinioes.com.br/Conteudo/Sucroalcooleiro/Edicao014/Artigos/Artigo014-09-G.htm] Google Scholar.
8. Macedo IC, Leal MRLV, da Silva JEAR: Оценка выбросов парниковых газов при производстве и использовании топливного этанола в Бразилии.[http://www.unica.com.br/i_pages/files/pdf_ingles.pdf]
9. Шапури Х., Даффилд Дж. А., Грабоски М. С.: Оценка чистого энергетического баланса кукурузного этанола.Сельскохозяйственный экономический отчет № 721 Министерство сельского хозяйства США, Служба экономических исследований, Управление энергетики; 1995.[http://www.ers.usda.gov/publications/aer721/AER721.PDF] Академия Google
10. Ван М: Обновленные результаты по энергии и выбросам парниковых газов для топливного этанола.Материалы 15-го Международного симпозиума по спиртовым топливам: 26–28 сентября 2005 г.; Сан-Диего, КалифорнияGoogle ученый
11. Голдемберг Дж.: Этанол для устойчивой энергетики будущего.Наука 2007, 315: 808. 10.1126/science.1137013 ArticleCASGoogle Scholar
12. Маседо I, Seabra JEA, да Силва JEAR: Выбросы парниковых газов при производстве и использовании этанола из сахарного тростника в Бразилии: средние значения за 2005/2006 годы и прогноз на 2020 год.Биомасса и биоэнергия 2008. doi:10.1016/j.biombioe.2007.12.006 Google Scholar
13. Датагро: Статистические данные бразильского сектора сахарного тростника.[http://www.datagro.com.br]
14. Браунбек О., Macedo IC, Cortez LAB: Модернизация производства тростника для расширения базы биомассы в Бразилии в области биоэнергетики – реализация потенциала. Амстердам: Эльзевир; 2005. Google Академия
15. УНИКА[http://www.portalunica.com]
16. Фарджионе Дж., Хилл Дж., Тилман Д., Поласки С., Хоторн П.: Расчистка земель и углеродный долг биотоплива.Научные экспресс-отчеты DOI: 10.1126/science.1152747., опубликовано в Интернете 7 февраля 2008 г.
17. Searchinger T, Heimlich R, Houghton RA, Dong F, Elobeid A, Fabiosa J, Togkoz S, Hayes D, Yu TH: Использование пахотных земель США для производства биотоплива увеличивает выбросы парниковых газов из-за выбросов в результате изменения землепользования.Наука 2008, 319: 1238-1240 гг. 10.1126/science.1151861 СтатьяCASGoogle Scholar
18. Lora BA, Monteiro MB, Assunção V, Frigerio R: Levantamento Georreferenciado da Expansão da Cultura de Cana-de-Açúcar no Estado de São Paulo, Отчет о проекте, неопубликованный. Сан-Паулу. 2006. Google Академия
19. Хеннигес О, Зеддис Дж.: Конкурентоспособность бразильского этанола в ЕС.Мировой отчет FO Licht по этанолу и биотопливу 2004, 2: 374-378. Google ученый
20. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций: ФАОСТАТ 2007.[http://faostat.fao.org/default.aspx]
21. Goldemberg J, Coelho ST, Lucon OS, Nastari PM: Кривая обучения этанолу – опыт Бразилии.Биомасса и биоэнергия 2003, 26: 301-304. 10.1016/S0961-9534(03)00125-9 СтатьяGoogle Scholar
22. Великобритания DTI: Обзор технологического состояния и потенциал сокращения выбросов углерода при использовании возобновляемого транспортного топлива в Великобритании.Отчет B/U2/00785/REP Министерство торговли и промышленности Великобритании; 2003. [http://www.berr.gov.uk/files/file15003.pdf] Google Scholar.

Благодарности

Я хочу поблагодарить Patricia M Guardabassi за помощь в подготовке этой статьи.

Информация об авторе

Авторы и принадлежность

1. Университет Сан-Паулу, Институт электротехники и энергетики, Av. Проф. Лучано Гуальберто, Сан-Паулу, SP 05508-010, Бразилия Хосе Голдемберг

1. Хосе Голдемберг