Энергетический сектор находится на перепутье. Зависимость от иностранной нефти — это геополитическая ставка, а углеродный след от сжигания ископаемого топлива больше не является предметом теоретических дискуссий. Он видим, измерим и требует срочных действий. Так что же заменит бензин? Водород обещает нулевые выбросы, но создает сложные проблемы безопасности. Ветровая и солнечная энергия чисты, но непостоянны. А затем есть этанол. Лобби возобновляемой энергии его обожает. Предложение соблазнительно: заправлять наши транспортные средства обильными урожаями, такими как кукуруза.
Звучит просто. Возможно, даже благородно. Но реальность производства этанолового топлива гораздо сложнее, чем это преподносится в маркетинге.
Что такое этанол на самом деле?
По своей сути этанол — это зерновой спирт. В Соединенных Штатах подавляющее его количество производится из кукурузы. Бразилия выбирает другой путь, используя сахарный тростник. Некоторые предприятия также перерабатывают пшеницу, ячмень или картофель, но кукуруза остается основным сырьем в Северной Америке.
Как производится этаноловое топливо
Стандартным промышленным подходом является сухой помол. Это химическая трансформация, превращающая твердый крахмал в жидкое топливо. Вот пошаговое описание того, как работает производство этанола на основе кукурузы :
- Измельчение: Целые зерна кукурузы перемалываются в мелкий порошок.
- Желирование: Кукурузный порошок смешивается с водой и специфическими ферментами. Эта суспензия попадает в варочный аппарат с высокой температурой. Тепло и ферменты разрушают сложные соединения зерна, превращая смесь в густую жидкость.
- Сахарификация: Мезга остывает. Добавляется второй фермент. Этот этап критически важен, поскольку он превращает крахмалы в простые сахара, которые дрожжи могут действительно усваивать.
- Брожение: Вводятся дрожжи. Дрожжи потребляют сахара, метаболируя их в этанол (спирт) и углекислый газ.
- Дистилляция: Броженую жидкость нагревают. Поскольку этанол кипит при более низкой температуре, чем вода, он испаряется первым. Пар конденсируется обратно в жидкость, отделяя спирт от твердых частиц и воды.
- Обезвоживание: Удаляется оставшаяся вода. Это необходимо, потому что стандартные двигатели не могут работать на 100-процентном спирте; он содержит слишком много влаги и обладает меньшей энергоемкостью по сравнению с чистыми углеводородами.
- Денатурация: Добавляется небольшое количество бензина. Это служит одной цели: сделать топливо несъедобным. Весь этанол, предназначенный для топлива, должен быть непригодным для питья. Его нельзя пить. Никогда.
Побочные продукты
Процесс не является полностью расточительным. Оставшиеся твердые вещества, известные как зерно дистиллеров, богаты белком и ценны в качестве корма для скота. Углекислый газ, улавливаемый в процессе брожения, можно продавать компаниям, производящим напитки, или использовать для увеличения нефтеотдачи. Эти побочные продукты помогают компенсировать затраты на производство для завода.
Споры
Несмотря на техническую элегантность процесса, эксперты в области сельского хозяйства и экологии утверждают, что этанол как источник чистой энергии является ограниченным решением. Потенциал есть, но недостатки значительны. В следующем разделе мы рассмотрим, почему многие считают, что этот потенциал преувеличен, и какова реальная экологическая стоимость устойчивости биотоплива.
Углеродная реальность E10 и E85
Математика использования этанола в качестве небольшой добавки проста. Он сгорает чище. Почему? Содержание кислорода в химической структуре способствует полному сгоранию. Смешайте одну часть этанола с девятью частями бензина. Получится E10. Он есть почти на каждой заправке. Выбросы парниковых газов снижаются. Уменьшается содержание угарного газа. За ним следует снижение уровня оксидов азота.
Данные подтверждают это. Национальная лаборатория Аргонн зафиксировала сокращение выбросов парниковых газов на 10 тонн только в 2007 году благодаря использованию этанолового топлива. Исследование в Висконсине 2006 года показало, что после появления на рынке топлива 10-90 в 1994 году количество дней с высоким уровнем озона сократилось на 16 процентов. Меньше смога. Чище воздух. Вы также сжигаете немного меньше бензина на милю. Любой современный автомобиль справляется с E10. Модификации не требуются.
Затем есть E85. Восемьдесят пять процентов этанола. Пятнадцать процентов бензина. Это топливо предназначено только для автомобилей с гибким топливом (FFV). Оно сгорает еще чище, чем E10. Оно еще больше сокращает выбросы вредных газов. Оно помогает бороться с загрязнением воздуха и воды. Оно эффективнее решает проблемы глобального потепления и смога. Но просто так заправиться им нельзя. Только один из 40 автомобилей на 2006 год мог работать на этой смеси. Она редка. Большинство заправок ее не продают. Ее нужно искать.
Проблема энергетического баланса
Масштабирование производства этанола упирается в стену. Две проблемы. Они связаны. Они фатальны для аргументов в пользу массового внедрения.
Во-первых: энергетическая плотность этанола значительно ниже, чем у бензина. Вы получаете меньше мощности. Вы проезжаете меньше миль на галлоне.
Во-вторых: использование продовольственных культур для топлива сокращает площадь земель, доступных для производства реальной пищи. Это конкурирует с вашим обеденным столом.
Эксперты согласны с этими пунктами. Они расходятся во мнениях относительно их серьезности.
Дэвид Пиментель, профессор сельского хозяйства в Корнеллском университете, утверждает, что процесс дает чистую потерю энергии. Он подсчитал затраты. Для производства одного галлона этанола из кукурузы требуется 131 000 БТЕ энергии. Сам галлон содержит только 77 000 БТЕ. Математика жестока. Фермеры используют тракторы на ископаемом топливе для посадки. Они используют дизельное топливо для уборки. Перерабатывающие заводы работают на ископаемом топливе. Грузовики везут продукт на распределительные центры. Вся цепочка сжигает бензин для создания альтернативного топлива. В итоге вы можете получить меньше энергии в баке, чем сожгли, чтобы доставить ее туда.
Логистика транспортировки меняется. В декабре 2008 года открылся трубопровод. Он проходит на расстояние 85 миль через Флориду. От Тампы до Орландо. Перекачивать этанол по трубам сложно. Он поглощает примурки на своем пути. Эти загрязнители повреждают стандартные материалы трубопроводов. Техасская компания, строящая эту линию, утверждает, что решила эту проблему. Один трубопровод не меняет национальную сеть. Это прототип. Доказательство концепции.
Не все принимают пессимизм Пиментеля. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США предлагает другую точку зрения. Они выясняют, что для производства 1,3 БТЕ этанола требуется 1 БТЕ ископаемого топлива. Это чистая прибыль в 30 процентов. Положительный энергетический баланс. Дебаты активны. Цифры меняются в зависимости от того, кто проводит измерения.
Использование земли и дебаты «еда против топлива»
Группа Пиментеля утверждает, что кукуруза не является по-настоящему возобновляемым ресурсом. Они смотрят на footprint земли. Для обеспечения работы автомобиля в течение одного года с помощью этанола требуется 11 акров кукурузы. Это 44 515 квадратных метров. Эти 11 акров могли бы прокормить семь человек.
Поля кукурузы нуждаются во времени для восстановления. Эрозия почвы. Стресс от орошения. Земля выводится из эксплуатации на длительные периоды. Нет кукурузы для топлива. Нет культур для еды. Чтобы поддерживать индустрию на основе этанола, вам нужна большая площадь земли. Вы выводите из оборота больше сельскохозяйственных угодий, производящих продовольствие. Результат? Дефицит. Более высокие цены. Ваш счет за продукты питания растет, потому что вы ездите на салате.
Существует потенциальная лазейка. Целлюлозный этанол. Он использует непищевую биомассу. Стебли кукурузы. Древесная щепа. Свичграсс (мискантус). Он не конкурирует с продовольственными культурами. Он использует отходы. Если этот нишевый сектор расширится, он может предложить более дешевый и жизнеспособный компромисс. Он решает проблему земли. Он решает проблему конкуренции за продовольствие.
Индустрия наблюдает за этим. Технология находится в зачаточном состоянии. Но давление возрастает. Можем ли мы масштабировать топливо, сгорающее чисто, не разрушая продовольственные поставки? Трубопровод во Флориде — это только начало. Ответ может расти на полях, а не в баке.
Данные, стоящие за дискуссией
Если вы ищете конкретные цифры, они есть в Национальной лаборатории им. Эргона. Их данные показывают, что только в 2007 году использование этанола сократило выбросы парниковых газов на 10 миллионов тонн. Это конкретная капля в море, но достаточно ли этого, чтобы оправдать оборудование, необходимое для его производства?
Дискуссия редко остается в рамках лаборатории. Она выходит за их пределы, затрагивая политику и полки магазинов. Критики, такие как Роджер Сегелкин, утверждают, что кукурузный этанол — это неустойчивый, субсидируемый способ сжигания продовольствия. Проблема заключается не только в углероде. Речь идет о том, не дестабилизируем ли мы глобальные продовольственные поставки ради заправки топливных баков. The New York Times освещала это противоречие еще в январе 2007 года, называя его «весной» для отрасли, несмотря на нависающий продовольственный кризис.
Куда течет топливо
Инфраструктура рассказывает другую историю, отличную от идеологии. В то время как сельскохозяйственное воздействие вызывает острые споры, логистика созрела. К концу 2008 года в эксплуатацию были запущены специализированные трубопроводы для этанола, решив проблему транспортировки, которая ранее затрудняла широкое внедрение. Кейт Галбрейт освещала этот сдвиг в Times, отметив, что перемещать жидкое топливо проще, чем зерно.
Это логистическое решение поддерживает более широкое движение в сторону альтернативной энергетики. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) и Ethanol.org предоставляют обширную техническую поддержку этим утверждениям. Они отслеживают все: от урожайности с акра до анализа углеродного жизненного цикла. Тем временем такие издания, как Planet Green и TreeHugger, поддерживают разговор с потребителями, задаваясь вопросом, действительно ли ваша ежедневная поездка помогает планете или лишь лобби кукурузников.
За пределами кукурузного поля
Этанол — лишь один узел в более широкой сети альтернативных видов топлива. Вопросы выходят далеко за рамки кукурузы. Можем ли мы запускать двигатели на траве? Что произойдет, если мы перейдем на водород? Механика различается. Водород требует совершенно новых заправочных станций. Биодизель производится из отработанного жира. Электрические и гибридные системы вообще обходятся без жидкого топлива.
Для тех, кто одержим деталями, источники разнообразны. Алекс Халперин из BusinessWeek в 2006 году разобрал мифы, окружающие этанол. Кристофер Джойс из NPR подтвердил научные основы использования этанола в качестве заменителя бензина. Но данные никогда не бывают статичными. Они меняются в зависимости от урожайности культур, цен на нефть и политической воли.
Трубопровод начинается сейчас. Наука уже существует. Вопрос в том, последует ли рынок за данными или за субсидиями. Вы можете проверить прямые трансляции из лабораторий, прочитать старые архивы Times или просто нажать на педаль газа и посмотреть, что сгорит.
