乙醇是不是较清洁燃料（乙醇是不可再生燃料吗）

乙醇是通过什么方式进行运输的 乙醇会为低碳未来提供燃料吗？

人类与乙醇有着复杂的关系。，很多人都喝这种东西。几十年来，人们一直致力于将其扩大为燃料和化学原料。梦想是通过正确的乙醇制造和使用技术，化学和能源行业可以打破对石油的依赖并大幅减少对气候的影响。

但这个梦想有令人不安的一面。传统乙醇依赖于从玉米、甜菜和甘蔗中提取的糖分。种植这些作物需要肥料和化石燃料的农业设备，运输它们需要柴油卡车，发酵和蒸馏它们需要加热燃料。最重要的是，乙醇发酵过程会产生二氧化碳作为副产品。

，乙醇也有好的一面——即，它所衍生的农作物可以从空气中吸取 CO 2 。长期以来，批评家、倡导者和学者一直在争论双方中哪一方在寻找温室气体 (GHG) 排放量低于石油的燃料和化学原料的斗争中占上风。

从纤维素而不是糖开始可以使乙醇的气候数学更容易。纤维素以木质纤维素生物质的形式存在于农业和林业废物中。例子包括玉米秸秆——收获玉米粒后剩下的茎、叶和壳——以及稻草和甘蔗渣——制糖过程中留下的干燥纤维状纸浆。因为废料目前的命运是腐烂或燃烧并释放甲烷或二氧化碳，而且因为它不需要额外的投入来生长，纤维素乙醇对低碳强度的要求是强有力的。

，将这种生物碳转化为耐用品而不是燃料可实现某种 CO 2封存。一些行业观察家认为，在经历了数十年的失败后，全球对净零碳排放的推动现在准备与一套改进的纤维素技术相结合，开创乙醇的新时代。

过去的承诺

尽管进行了许多尝试，但事实证明，通常称为第二代或 2G 乙醇的纤维素乙醇比其由淀粉和糖制成的之一代表亲更难大规模生产。2010 年代，少数雄心勃勃的公司斥资数亿美元在美国建造纤维素乙醇工厂。今天，这些工厂都被关闭了。

其中两家公司是乙醇制造商 Poet 和特种化学品公司 D 的合作伙伴。2014 年，他们开始在爱荷华州埃梅茨堡用玉米秸秆生产乙醇。该设施的设计年产量为 9500 万升。但它在处理原料和准备酶促解聚成可发酵的五碳和六碳糖方面遇到了困难。

Poet 表示，它仍在 Emmet urg 工厂进行研发。与此，D 于 2022 年底将其纤维素制糖酶技术出售给了埃尼石油公司的子公司 Versalis。Versalis 表示将在其位于意大利克雷森蒂诺的纤维素乙醇业务中使用该技术，Mossi 几年前，Ghisolfi Group 在破产程序中被抛售。

杜邦制造纤维素乙醇的努力也失败了。2015 年，它在爱荷华州内华达州开设了一家价值 2 亿美元的工厂，并承诺这是众多工厂中的之一家。杜邦和陶氏的合并未能实现这一愿望，该工厂于 2017 年进入拍卖行。生物燃料公司Verbio 于 2018 年购买了它，并将其转化为生产生物基甲烷。

在类似的情况下，可再生能源开发商 Abengoa 于 2014 年开始在堪萨斯州雨果顿的一家工厂用玉米秸秆制造乙醇。Abengoa 以整个公司的财务问题为由，于 2015 年关闭了该工厂。

这是一个令人遗憾的记录，但这并不能阻止其他公司建设和调试新一轮的纤维素乙醇工厂的浪潮。更大的参与者是化学公司 Clariant、化学工程公司 Praj Industries 以及能源公司 Shell 和 Cosan 的合资企业 Raízen。这三家公司目前都在生产纤维素乙醇，并制定了宏伟的扩张计划。

Praj 在 8 月开设了印度之一家商业规模的纤维素乙醇工厂。该工厂由 Indian Oil 所有，但由 Praj 建造和运营，满负荷生产后，每年将从稻草中提取 3000 万升乙醇。Praj 首席执行官 Shishir Joshipura 表示，该公司正在与 Hindustan Petroleum 和 Bharat Petroleum 合作建设姐妹工厂。这三个石油公司都由印度 拥有或部分拥有。

自 2015 年以来，Raízen 一直在巴西运营一个 3400 万升的甘蔗渣工厂。该公司正在完工的一个设施，加上计划在 2024 年建设的两个设施，将使公司的产能达到 2.8 亿升。Raízen 计划到 2030 年拥有20个纤维素乙醇工厂，总产能为16亿升/年。

科莱恩在罗马尼亚的 6300 万升工厂于 6 月开始使用小麦秸秆作为原料进行生产，该公司已经为其工艺出售了五个许可证。科莱恩生物燃料和衍生品营销和战略主管 Ralf Hortsch 表示，启动问题导致该公司在 12 月减记了工厂的大部分价值，但拥有和运营此类工厂从来都不是主要业务计划。尽管如此，该工厂仍将继续生产纤维素乙醇；壳牌已经购买了前几年的产出，科莱恩也将利用该网站展示和进一步开发该技术。

“我们不是燃料生产商。进入技术许可一直是战略，”Hortsch 说。“我们还出售产生植物中整合酶的微生物和将糖发酵成乙醇的酵母。”

做好乙醇

当你与一直试图让纤维素乙醇发挥作用的高管、工程师和投资者坐下来时，关于市场困境和母公司政治的讨论很快就会消失。最难解决的问题是采购和处理原料的繁琐任务，也就是拖累之前许多努力的铅重量问题。

Hortsch 说，一个障碍就是将纤维素生物质运到工厂。该公司选择罗马尼亚的 Podari 作为其之一个商业工厂，部分原因是该地区种植了大量小麦，而对剩余秸秆的处理并不多。

因为这些材料没有买家，所以也没有收集和分发它的机制。“如果没有人买稻草，为什么还要有人来田里捡呢？我们的本地团队基本上必须从头开始构建供应链，”Hortsch 说。

印度的大米垃圾也是如此。Joshipura 说，他的公司赢得了 的一些支持，因为农民将稻草卖给 Praj 而不是在巨大的篝火中焚烧，从而改善了空气质量。

一旦纤维素生物质被运入植物，它就是肮脏的、具有磨蚀性的物质，会破坏管道、螺丝和罐，这些物质会四处移动并为酶消化做准备。“10 年前新技术面临的更大挑战是它们不够可靠，”Joshipura 说。

纤维素生物质也是一类不同的材料。早期的尝试通常假设相同的基本设备可以处理任何生物质。该行业的一个惨痛教训是，每一种纤维素原料都是独一无二的。“了解原料成分、它们的不同行为以及它们之间的相互关系对我们来说很重要，”Joshipura 说。

原材料采购和处理之后是生物质预处理将纤维素和半纤维素（由 C 5和 C 6糖制成的天然聚合物）与木质素（一种无定形酚类聚合物）分离。Praj 的预处理 使用催化剂来破坏木质素、半纤维素和纤维素之间的连接。Clariant 和 Raízen 使用蒸汽爆破，这与早餐麦片制造商用来膨化米饭的过程基本相同。

从那里开始，流程会聚。所有公司都使用称为纤维素酶的真菌酶将纤维素和半纤维素解聚成糖，然后他们使用专门的酵母将这些糖发酵成乙醇。

“成功的关键在于谁能够理解原料以及如何处理原料，这将使我们脱颖而出。一旦制成糖，每个人都知道如何处理，”Joshipura 说。

考虑到所有的化学和工程，很容易忽视这一点低温室气体排放量。“纤维素乙醇越来越受到关注，主要是因为与传统的淀粉基乙醇相比，它可以产生更多的二氧化碳，”Hortsch 说。

传统的工业乙醇是用糖和淀粉制成的，与至少 1400 年来人们酿造烈性酒的 基本相同。尽管如此，该行业并没有坐等被超越。随着纤维素乙醇开发商不断改进工艺，以淀粉和糖为原料的传统乙醇制造商正在削减排放量，以保持对联邦、州和地方环境补贴的控制。

两种类型乙醇的一个关键分数是碳强度 (CI)，通常定义为每生产兆焦耳燃料排放的 CO 2克数。汽油的 CI 分数约为 96 g CO 2 /MJ，而 1990 年代初期生产的乙醇更糟根据最近对已发布数据的荟萃分析， CI 分数高于 99 g CO 2 /MJ（ Environ. Res. Lett. 2021，D?OI10.1088/1748-9326/abde08）。

尽管该分数证实了玉米乙醇早期对环境的批评，但根据代表乙醇制造商的贸易组织可再生燃料协会首席执行官杰夫库珀的说法，今天的典型数字是 55–60 g CO 2 /MJ。Cooper 的估计与Environmental Research Letters论文中最近的 CI 分数一致。更大的改进来自更好的耕种、发酵和蒸馏 。玉米种植者正在减少化肥和化石燃料的使用，乙醇生产商将每升产品的能源消耗减半。

“我们没有一家成员公司不考虑或已经投资采取措施来降低他们生产的乙醇的碳强度，”Cooper 说。发酵过程中释放的二氧化碳是一个明显的起点。Cooper 说，大约 25% 的气体在美国被捕获，工业气体公司出售其中的大部分用于饮料、食品加工和制冷。

但这些市场只有这么大。农业巨头 ADM 最近开始收集爱荷华州两家乙醇工厂生产的 CO 2 ，??并将其注入伊利诺伊州迪凯特的地下储存库。1 月 30 日，Cardinal Ethanol 和碳管理开发商 Vault 44.01 宣布计划在印第安纳州联合市的 Cardinal 工厂安装捕获设备和一个储存井。

乙醇厂还可以通过使用生物甲烷代替化石燃料来供热和运输，以及改用可再生能源或核能来降低其 CI 分数。拥有大量之一代乙醇业务的 Praj 也从事升级此类糖乙醇设施的业务。Joshipura 说，之一代乙醇工厂的热量和副产品再利用等工艺整合可以将 CI 分数降低近 30 g CO 2 /MJ。

新项目提供了从碳效率更高的流程开始的机会。一个名为California Ethanol Power的组织正在征用目前用于为海外赛马种植饲料作物的农田，并将其转变为种植甘蔗。在用糖制造乙醇后，其工厂将厌氧发酵剩余物转化为甲烷，并燃烧两种发酵过程都无法使用的电能。该公司预计其乙醇的 CI 分数约为 22 g CO 2 /MJ。

，纤维素乙醇仍处于领先地位。Cooper 说，现在上线的工厂的 CI 分数约为 25 g CO 2 /MJ，并且正在进行改进。Hortsch 说，科莱恩在其位于 Podari 的工厂为碳捕集留出了空间。Joshipura 表示，使用糖乙醇厂废料并配备碳捕获的纤维素乙醇厂可以达到负 CI 分数，这意味着它将带来温室气体排放量的净减少。

在南伊利诺伊大学爱德华兹维尔分校的国家玉米乙醇研究中心，更多帮助转化纤维素的 正在路上，Yan Zhang 和她的团队正在开发更好的 来转化纤维素。

一个有前途的研究方向是一种化学和酶混合物，张在将玉米秸秆捆成捆之前将其喷洒在玉米秸秆上。在 2 周内，当捆包被运输和储存时，该混合物几乎可以处理所有预处理，而无需额外的努力、能源或昂贵的设备。

还有其他获取乙醇的 。绿色化学公司 LanzaTech 使用工程微生物从合成气（一氧化碳和氢气的混合物）中发酵乙醇。LanzaTech 和其他公司也在开发利用垃圾以及水和固体废物处理厂排放的气体制造乙醇的项目。

科莱恩在罗马尼亚波达里建造了其纤维素乙醇雄心的旗舰。

生物质的更佳利用

人们非常了解乙醇，并且它具有如今大规模生产的优势。但从长远来看，出于环境和经济原因，它可能不是生物质的更佳利用方式。

在ACS 可持续化学与工程2022 年的一篇论文中，现任职于生命周期分析公司 Carbon Minds 的 Raoul Meys 及其同事研究了 46 个使用发酵将糖类转化为化学品的过程。当时位于亚琛工业大学的团队计算了制造生物基燃料或化学品而不是石油对应物的温室气体排放量 (DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c03275 )。

在该分析中，乙醇完全处于中间位置——在温室气体排放方面优于汽油，但在应对气候变化方面不如琥珀酸、1,4-丁二醇或其他九种可由糖制成的化学中间体那么有用.

作者为乙醇行业提供了一个发人深省的结论“通过分配目前用于乙醇生产的生物质，可以显着增加生物基行业的整体全球变暖影响减少。. . 其他生物基化学品。. . 即使燃料乙醇产量的减少导致汽油消耗量增加。”

化学还为转化生物质提供了有吸引力的替代品。最熟悉的化学变化是燃烧。燃烧生物质原则上是碳中和的，因为排放的 CO 2来自作物和其他从空气中吸收它的植物。如果一个项目捕获了它释放的足够多的 CO 2，??它就可以成为一个净碳汇，这个概念称为具有碳捕获和储存的生物能源，简称 BECCS。

可再生能源公司 Drax 正在英格兰北部开发 BECCS 项目，该项目将燃烧生物质来发电。该设施将捕获 CO 2并将其永久隔离在北海之下。

一对化学上更复杂的过程是热解和气化，它们分别在缺氧或几乎缺氧的情况下热分解生物质。热解产生一种生物基原油，可以输送到石化厂。气化产生的合成气可以通过费-托转化变成碳氢化合物。

例如，Alder Fuels从林业废料和其他木质生物质中提取热解油，然后将其升级为喷气燃料。它在荷兰拥有试点和示范工厂，并着眼于欧洲和北美的商业设施。Alder 正与波音公司合作，在商用客机上测试其燃料，并与私人飞机共享公司Flexjet 签订了购买协议。

与此，初创公司USA BioEnergy 正计划在得克萨斯州建设木材废料气化和费托工厂，该工厂将生产喷气燃料、柴油和石脑油。该公司在宣传材料中表示，通过从发酵和发热中捕获和封存 CO 2 ，??该工厂将生产“极负性的 CI 燃料”。

John Bissell 主张更创造性地使用化学，而不是将生物质降解为基础碳并使用它来制造燃料。Bissell 是 Origin Materials 的联合首席执行官，该公司使用酸和催化剂将木质纤维素转化为氯甲基糠醛，这是聚对苯二甲酸乙二醇酯的一种可能的工业中间体，聚对苯二甲酸乙二醇酯目前由石油化学衍生的对苯二甲酸和乙二醇制成。

“从生物质中获取价值的 是保留有趣的结构，这就是为什么我们认为呋喃是正确的分子。你保留了一堆半芳香结构，”他说。木质纤维素具有醚桥和双键等官能团，可以为化学家创造有价值的化学品和材料提供有用的手段。

Origin 正在安大略完成一座呋喃工厂，并计划在 2025 年在路易斯安那州建造一个更大的工厂。

乙醇可以做什么？

根据可再生燃料协会的数据，2021 年全球生产了超过 1020 亿升乙醇，其中大部分是之一代乙醇。如果一切按计划进行，本十年正在开发的纤维素乙醇工厂将增加数十亿升的供应量。

几乎所有的乙醇都与汽油混合并在乘用车中燃烧。在美国，大约 200 家乙醇厂消耗了 35% 的年玉米作物，产量约为 530 亿升，按体积计算，这些燃料进入油箱的量约为 10.5%。其他地区以更高或更低的速度混合。巴西是更高的，大多数加油站都提供 85% 的乙醇燃料。

2020 年春季，当大流行导致美国汽油消费量下降约 30% 时，全国大约一半的乙醇工厂关闭。如果电动汽车继续流行，对汽油的需求将永久下降。那么所有的乙醇会去哪里呢？

一个答案在不断缩小的馅饼中分得更大的一块。“假设到 2035 年，我们的年汽油消耗量从 1350 亿加仑（基本上是我们今天的水平）下降到 1000 亿加仑，”可再生燃料协会的库珀援引美国能源信息署的预测说。他说，将全国范围内的乙醇从 10.5% 提高到 15% 将使总量保持稳定。

没有技术理由就此打住。自 20 世纪 90 年代中期以来，可以使用高达 85% 乙醇的灵活燃料汽车已经上市；这主要是改用由兼容塑料制成的垫圈和 O 形圈的问题。即使是普通引擎也可能在比现在使用的高得多的水平上运行良好。

为了证明这一概念，国家机构内布拉斯加州乙醇委员会正在与内布拉斯加大学林肯分校合作，在州车队的 825 辆未改装轻型车辆中测试 30% 的混合燃料。董事会执行董事里德·瓦格纳 (Reid Wagner) 表示，为期 3 年的试验已经进行了 3 个多月，结果令人鼓舞。“我们的维护问题为零，发动机检查灯亮起为零。即使是在我们最寒冷的日子里，当气温达到 –39 °F [-39 °C] 并伴有风寒时，每个人都能够顺利地从 A 点到达 B 点。”

化学品是乙醇的另一个潜在出路。乙醇催化脱水生成乙烯很简单，而乙烯是目前由化石资源制成的大量化学产品的起点。

聚乙烯是世界上生产量更大的塑料，距离乙烯只有很短的化学路程。石化巨头 Braskem 的 I#39m Green 聚合物系列已经包括 40 多种聚乙烯和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物产品，这些产品由甘蔗乙醇脱水制成。上个月，Braskem 表示，它正在寻找美国所谓的世界上之一个工业规模的生物基聚丙烯工厂。

环氧乙烷由乙烯氧化制成，用于制造广泛用于家庭和个人护理行业以及服装行业消费的聚酯的乙氧基化表面活性剂，这两个面向消费者的行业正在积极推动净-零温室气体排放。Clariant、Ineos 和 Croda 都已经提供生物基环氧乙烷衍生物，主要面向化妆品和清洁产品制造商。

Gevo 和 LanzaJet 等公司正在将酒精转化为乙烯然后再转化为喷气燃料的工艺商业化。催化剂和工艺条件的微小变化会产生柴油燃料。

乙烯并不是唯一的选择。1 月底，合资企业 Blue Blade Energy 以 5000 万美元的资金启动，用于将一套可将乙醇直接转化为 2-戊酮和 2-庚酮的催化剂商业化。可持续航空燃料是之一个产品目标——联合航空公司是该公司的三个支持者之一——但酮类可以流入任意数量的其他合成途径。

Cooper 说，尽管如今只有不到 2% 的乙醇用于除油箱以外的任何地方，但纤维素乙醇的低 CI 分数可能会将其推向具有很强的绿色溢价的产品。“我们确实希望看到该领域的一些先行者真正专注于化学品市场，”他说。

在低碳化学产品的市场拉动和汽车和卡车电气化的飞速发展之间，“我不会在燃料上下太多赌注。. . . 我会关注材料，”Carbon Minds 的 Meys 说。“这也是环境分析所说的。”

Raízen 正在现有的甘蔗乙醇业务基础上建立一套将纤维素转化为乙醇和甲烷的工厂

不断发展的市场

Biofuels Digest 的编辑 Jim Lane 表示，这个时机对纤维素乙醇来说是个好时机。最近的政策和市场变化正在创造对低 CI 分数的生物基燃料和化学品的需求，因为该技术似乎终于准备就绪。

莱恩说， 计划在激励实际温室气体减排方面也变得更好，而不是不顾碳足迹而鼓励使用生物燃料。“多年前，这是一个体积标准。你不一定要生产低碳强度的乙醇，”他在最近的一次 研讨会上说。“现在你可以做到并获得奖励。”

在海外，欧盟委员会正试图逐步淘汰“以食品为基础”的生物燃料，其中几乎包括所有之一代乙醇。随着该地区对生物燃料的要求不断提高，此举可能会产生对纤维素乙醇的强劲需求。

在全球范围内，许多公司都做出了温室气体净零排放承诺，以应对股东和消费者的压力。这种可持续性趋势推动了独立于 鼓励的生物基燃料和化学品的发展。

许多这些因素适用于任何具有低 CI 分数的可再生分子。但乙醇的生产和使用规模已经超过了其他生物基中间体。

“乙醇基地是在美国运营的近 200 家工厂，在巴西的数量几乎相等，还有很大一部分在亚洲和欧洲，”莱恩说。他说，整个价值链中的潜在商业伙伴已经了解乙醇行业。“这意味着当你引进先进的乙醇时，你是在引进技术，但你并不是要别人建立你的市场。”

“这是关于碳的故事，”库珀说。“无论是公司正在做出的 ESG [环境、社会和治理] 承诺，还是像通货膨胀减少法案这样的新税收政策，无论是各国做出的气候承诺——推动所有这一切的是继续推动降低碳强度。不仅在运输燃料领域；它存在于塑料和化学品中，而且确实是全面的。

Cooper 说“经过多次反复试验后，我们确实感觉我们即将在纤维素乙醇的商业生产中取得一些重大突破。”

乙醇是不可再生燃料吗 未来乙醇能作为燃料吗