Understanding Ethanol Fuel Production and Use/Operating principles/pl

▼Ta strona jest chroniona prawami autorskimi. Uzyskaliśmy pozwolenie na jej publikację, ale nie wolno modyfikować tekstu ani wykorzystywać go ponownie bez pozwolenia. Należy traktować ją jako dostęp otwarty , co stanowi wyjątek od licencji Appropedia . Czytaj więcej...

II. ZASADY DZIAŁANIA

PRODUKCJA ETANOLU

Produkcja paliwa etanolowego to połączenie procesów biologicznych i fizycznych. Etanol powstaje w wyniku fermentacji cukrów z udziałem drożdży. Jest on zagęszczany do jakości paliwa poprzez destylację.

Surowce, czyli podstawowe materiały, to rośliny zawierające cukier lub skrobię . Te „rośliny paliwowe z biomasy” (bulwy i zboża) zazwyczaj obejmują buraki cukrowe, ziemniaki, kukurydzę, pszenicę, jęczmień, topinambur i słodkie sorgo. Rośliny cukrowe, takie jak trzcina cukrowa, buraki cukrowe lub słodkie sorgo, są ekstrahowane w celu uzyskania roztworu zawierającego cukier, który można bezpośrednio fermentować za pomocą drożdży. Surowce skrobiowe muszą jednak przejść dodatkowy etap konwersji. Skrobia jest długim „łańcuchowym” polimerem glukozy (tj. wieloma jednostkami polimeru glukozy połączonymi w łańcuch). Skrobi nie można bezpośrednio fermentować do etanolu. Najpierw muszą zostać rozłożone na prostsze jednostki glukozy w procesie hydrolizy. W etapie hydrolizy surowce skrobiowe są mielone i mieszane z wodą w celu uzyskania zacieru zawierającego zazwyczaj od 15 do 20 procent skrobi. Zacier jest następnie gotowany w temperaturze wrzenia lub wyższej i poddawany działaniu dwóch preparatów enzymatycznych. Pierwszy enzym hydrolizuje cząsteczki skrobi do krótkich łańcuchów; drugi enzym hydrolizuje krótkie łańcuchy do glukozy. Następnie zacier schładza się do 30°C i dodaje drożdże.

Drożdże to mikroorganizmy produkujące etanol. Te mikroorganizmy są zdolne do przekształcania cukru w ​​alkohol w procesie biologicznym zwanym fermentacją. Poniższe równanie przedstawia podstawową reakcję biologiczną w procesie fermentacji jednego kilograma glukozy w etanol, dwutlenek węgla i ciepło:

Teoretycznie maksymalna wydajność konwersji glukozy do etanolu wynosi 51% wagowo. Jednak część glukozy jest wykorzystywana przez drożdże do produkcji masy komórkowej oraz produktów metabolicznych innych niż etanol. W praktyce od 40 do 48% glukozy jest przekształcane w etanol. Przy 45-procentowej wydajności fermentacji, 1000 kilogramów cukru fermentowalnego daje około 570 litrów czystego etanolu. Natomiast do produkcji 1000 litrów etanolu potrzeba około 1800 kilogramów cukru fermentowalnego. Zacier zazwyczaj zawiera od 50 do 100 gramów etanolu na litr (5 do 10% wagowo-objętościowo) po zakończeniu fermentacji.

Alkohol etylowy oddziela się od zacieru metodą destylacji – jest to proces fizyczny, w którym składniki roztworu (w tym przypadku woda i etanol) są rozdzielane na podstawie różnicy temperatur wrzenia lub ciśnienia pary.

Etanol i woda tworzą azeotrop, czyli roztwór o stałej temperaturze wrzenia, składający się z około 95% alkoholu i pięciu% wody. Tych pięciu% wody nie można rozdzielić metodą konwencjonalnej destylacji. Produkcja czystego, bezwodnego (bezwodnego) etanolu wymaga po destylacji przeprowadzenia etapu odwodnienia. Odwodnienie, stosunkowo złożony etap produkcji paliwa etanolowego, przeprowadza się na jeden z dwóch sposobów. Pierwsza metoda wykorzystuje trzecią ciecz, najczęściej benzen, dodawaną do mieszaniny etanolu i wody. Zmienia to charakterystykę wrzenia roztworu, umożliwiając oddzielenie bezwodnego etanolu. Druga metoda wykorzystuje sita molekularne, które selektywnie absorbują wodę na podstawie różnicy w wielkości cząsteczek wody i etanolu.

Niefermentujące substancje stałe w zacierze destylowanym (wywarze gorzelnianym) zawierają zmienną ilość błonnika i białka, w zależności od surowca. Płyn może również zawierać rozpuszczalne białko i inne składniki odżywcze. Odzyskiwanie białka i innych składników odżywczych z wywaru gorzelnianego do wykorzystania jako pasza dla zwierząt gospodarskich może być kluczowe dla ekonomicznej produkcji paliwa etanolowego. Zawartość białka różni się w zależności od surowca. Niektóre zboża (np. kukurydza, jęczmień) dają stały produkt uboczny, suszone ziarno gorzelniane (DDG), które zawiera od 25 do 30 procent białka i stanowi doskonałą paszę dla zwierząt gospodarskich. Jeśli urządzenia przetwórcze są wykonane ze stali nierdzewnej, a przetwarzanie odbywa się w dobrze kontrolowanych warunkach, białkowe produkty uboczne mogą być również spożywane przez ludzi.

Produkcja etanolu generuje również ścieki , które stanowią potencjalny problem zanieczyszczeń . Na każdy litr etanolu przypada około 9 litrów ścieków. W dobrze zaprojektowanych zakładach część ścieków może być poddawana recyklingowi. Ścieki mogą charakteryzować się wysokim [[Biologicznym Zapotrzebowaniem na Tlen]] (BZT), będącym miarą potencjału zanieczyszczenia wód substancjami organicznymi, i są kwaśne. Wymagają oczyszczenia przed odprowadzeniem. Wymagania dotyczące oczyszczania zależą od surowca i lokalnych przepisów dotyczących kontroli zanieczyszczeń. Ze względu na zawartość kwasu, należy zachować ostrożność podczas rozlewania ścieków na pola.

ZASTOSOWANIE KOŃCOWE ETANOLU

Etanol to wysokiej jakości, stabilna ciecz. Niektóre właściwości chemiczne i fizyczne etanolu podsumowano w tabeli 1.

[a] Temperatura wrzenia to temperatura, w której ciecz zmienia fazę i staje się gazem; punkt, w którym prężność pary cieczy równa się prężności pary układu.

[b] Ciepło spalania to ilość ciepła wydzielanego podczas spalania jednostki dowolnego węglowodoru (np. etanolu) do dwutlenku węgla i wody.

[c] Ciepło parowania to ilość ciepła potrzebna do zmiany cieczy w jej temperaturze wrzenia w parę o tej samej temperaturze (np. woda o temperaturze 100°C w parę o temperaturze 100°C).

[d] Stechiometryczny stosunek powietrza do paliwa to ilość powietrza niezbędna do całkowitego utlenienia (spalenia) paliwa.

Zastosowanie etanolu w silnikach

Etanol jest najczęściej stosowany w transporcie i rolnictwie do zasilania czterosuwowych silników spalinowych z zapłonem iskrowym. Jest stosowany jako bezpośredni zamiennik benzyny lub mieszany z benzyną jako rozcieńczalnik i wzmacniacz oktanowy.

Zastąpienie benzyny etanolem wymaga modyfikacji gaźnika, elementów układu paliwowego, a często także stopnia sprężania. Efektywna konwersja istniejących silników benzynowych wymaga wykwalifikowanych i doświadczonych techników.

Silniki specjalnie zaprojektowane i wyprodukowane do zasilania paliwem etanolowym będą generalnie bardziej wydajne niż zmodyfikowane silniki benzynowe. Stężenie etanolu może wynosić od 80 do 95%, co eliminuje potrzebę stosowania zaawansowanych systemów odwadniania i upraszcza destylację. W wielu przypadkach przestawienie silników na zasilanie etanolem może być prostsze i bardziej ekonomiczne niż odwadnianie etanolu. Wadą przebudowy silnika jest to, że zasięg pojazdu jest ograniczony przez dostępne zasoby i dystrybucję etanolu.

Niektóre systemy „podwójnego paliwa” – czyli silniki z gaźnikiem, które mogą być zasilane zarówno etanolem, jak i benzyną – zostały opracowane w ograniczonym zakresie. W Brazylii znaczna część floty transportowej korzysta z paliwa etanolowego w samochodach ze specjalnie zaprojektowanymi silnikami, produkowanymi przez duże międzynarodowe firmy motoryzacyjne.

W silnikach bez modyfikacji etanol może zastąpić nawet 20% benzyny. Mieszanie etanolu z benzyną wydłuża jej zapas i poprawia jej jakość poprzez zwiększenie liczby oktanowej. Jako dodatek do benzyny, etanol może zastąpić związki ołowiu. Stosowanie mieszanek benzyny i etanolu ma swoje zalety w porównaniu z czystym etanolem. Mieszanki nie wymagają modyfikacji silnika. W ten sposób etanol można szybko zintegrować z istniejącymi systemami zasilania i dystrybucji benzyny. Zastąpienie związków ołowiu etanolem eliminuje jeden z głównych problemów związanych z zanieczyszczeniem powietrza związanym ze stosowaniem benzyny.

Wadą stosowania mieszanek etanolu i benzyny jest to, że etanol musi być bezwodny, co wymaga etapu odwodnienia w procesie produkcji. Jeśli etanol niebędący bezwodny zostanie zmieszany z benzyną, mieszanina rozdzieli się na fazę benzyny i fazę wody/etanolu, co spowoduje nierównomierną pracę silnika.

Oprócz zastosowania w samochodach osobowych oraz silnikach ciężarówek i ciągników, etanol może być stosowany w innych typach silników. Na przykład, małe, czterosuwowe silniki benzynowe stosowane w małych maszynach rolniczych (np. glebogryzarkach, małych traktorach) mogą często spalać od 80 do 95% etanolu, stanowiąc bezpośredni zamiennik benzyny. Takie silniki zasilane etanolem wymagają minimalnych modyfikacji.

Zastosowanie etanolu w specjalnie zaprojektowanych silnikach dwusuwowych zostało udowodnione w ograniczonym zakresie. Problemem związanym z jego stosowaniem w tych silnikach jest to, że nie miesza się on dobrze z olejem smarowym. Aby obejść ten problem, trwają badania nad znalezieniem olejów smarowych, na które etanol nie ma wpływu.

Chociaż stosowanie etanolu w silnikach Diesla jest możliwe, ma ono swoje ograniczenia. Etanol nie zapala się pod wpływem sprężania i nie miesza się dobrze z olejem napędowym. Dlatego etanol nie może być stosowany jako bezpośredni zamiennik oleju napędowego ani mieszany z olejem napędowym w silnikach o zapłonie samoczynnym. Etanol może być stosowany jako zamiennik oleju napędowego tylko wtedy, gdy silnik jest wyposażony w świece żarowe.

Etanol może być stosowany w silnikach Diesla z doładowaniem do około 25 procent całkowitej ilości paliwa. Odbywa się to poprzez umieszczenie etanolu w oddzielnym zbiorniku paliwa i wstrzyknięcie go do silnika Diesla poprzez strumień powietrza z doładowania.

Etanol może również zastąpić paliwo lotnicze w silnikach samolotów.

Zastosowanie etanolu w urządzeniach

Etanol może być stosowany w różnych urządzeniach do gotowania, ogrzewania i oświetlenia. W niektórych przypadkach etanol może być stosowany w zmodyfikowanych urządzeniach przeznaczonych do paliw konwencjonalnych. W innych przypadkach wymagane są urządzenia zaprojektowane specjalnie do zasilania etanolem.

III. WARIACJE W PROJEKCIE INSTALACJI

W tej sekcji krótko opisano procesy i urządzenia niezbędne do każdego głównego etapu produkcji etanolu. Zawiera ona również ogólne omówienie kwestii ekonomicznych związanych z produkcją etanolu. Nie ma ona na celu dostarczania szczegółowych informacji na temat projektowania instalacji.

Procesy i urządzenia różnią się znacznie w zależności od surowca, konieczności hydrolizy skrobi, końcowego zastosowania etanolu, dostępnych mediów pomocniczych, źródła energii procesowej, wykorzystania produktów ubocznych i skali zakładu.

PRZETWARZANIE SUROWCÓW

Badania projektowe instalacji wskazują, że istnieje ekonomia skali dla instalacji o wydajności 30 000 000 galonów rocznie, produkującej uwodniony (190 proof) etanol i kogenerującej, tj. wykorzystującej lokalne agregaty prądotwórcze z turbiną gazową zasilane uwodnionym etanolem, w celu zaspokojenia zapotrzebowania energetycznego zakładu. Spaliny z turbiny mogłyby być wykorzystywane do produkcji pary wysokociśnieniowej, a zużyte gorące spaliny z turbiny mogłyby być wykorzystywane do suszenia produktów ubocznych procesu. Aby zmaksymalizować opłacalność, w ogólnym projekcie należy uwzględnić produkcję produktów ubocznych procesu (suszonego ziarna z gorzelni (DDG), dwutlenku węgla i składników oleju fuzlowego).

Rodzaj surowca wybranego do produkcji paliwa etanolowego ma istotny wpływ na konstrukcję instalacji. Etanol jest wytwarzany z różnych roślin zawierających cukier lub skrobię, a procesy przygotowania surowca wymagają modyfikacji. Modyfikacje te są niezbędne, aby uwzględnić właściwości fizyczne surowca, a także charakter węglowodanów (tj. cukier kontra skrobia).

Sprzęt przygotowawczy jest niezbędny do rozdrabniania, mielenia lub ekstrakcji surowca przed jego przetworzeniem. Sprzęt do mielenia stosowany do przygotowania surowca różni się w zależności od jego właściwości, takich jak wilgotność, struktura fizyczna i zawartość włókien.

Hydroliza skrobi

Surowce zawierające skrobię wymagają urządzeń do hydrolizy skrobi, w tym zbiorników, systemów ogrzewania i chłodzenia, systemów mieszania, pomp transferowych i urządzeń monitorujących. Surowce skrobiowe muszą zostać zmielone przed hydrolizą do wielkości cząstek, które mogą przejść przez sito o oczkach 20 oczek.

Najczęściej stosowanym sposobem ogrzewania zacieru jest para wodna krążąca w wymiennikach ciepła. W związku z tym zapotrzebowanie na ciepło do hydrolizy skrobi musi być uwzględnione w wydajności kotła zakładu.

Schłodzenie zacieru od wrzenia do temperatury fermentacji (około 30°C) jest zazwyczaj decydującym czynnikiem przy projektowaniu wymiennika ciepła. Jest to szczególnie istotne w klimacie tropikalnym, gdzie temperatura otoczenia wody chłodzącej jest stosunkowo wysoka.

Systemy mieszania w zbiornikach do hydrolizy skrobi muszą być odpowiednie do efektywnego mieszania lepkich (gęstych) roztworów skrobi. Podgrzana w wodzie skrobia tworzy bardzo gęsty żel. Żelowanie skrobi jest niezbędne do efektywnej hydrolizy enzymatycznej. Dokładne wymieszanie zżelowanej skrobi jest niezbędne dla zapewnienia efektywnej wymiany ciepła i aktywności enzymów.

Sprzęt do monitorowania hydrolizy skrobi obejmuje termometry do pomiaru temperatury zacieru i temperatury pary oraz manometry do pomiaru ciśnienia zacieru, jeśli stosowane są ciśnieniowe systemy hydrolizy skrobi. Niezbędne są również testy mierzące wydajność hydrolizy skrobi. Ogólnie rzecz biorąc, surowiec jest najważniejszym elementem decydującym o ekonomice produkcji etanolu, a nieefektywna hydroliza skrobi może mieć istotny wpływ na ekonomię produkcji etanolu.

Systemy hydrolizy skrobi dzielą się na dwa główne typy: systemy wsadowe i systemy ciągłe. Systemy wsadowe składają się ze zbiorników, których wielkość dobierana jest w zależności od pojemności zbiornika fermentacyjnego i czasu przetrzymywania. Zbiornik jest wyposażony w wymienniki ciepła, zazwyczaj wężownice wewnętrzne, które cyrkulują parę wodną i wodę chłodzącą. Zacier jest mieszany przez silnik wyposażony w przekładnię redukcyjną i wirniki mieszające. Do transportu zacieru ze zbiorników fermentacyjnych stosuje się pompy transferowe zdolne do obsługi dużej ilości ciał stałych. W przypadku bardzo lepkich surowców, wymiana ciepła i mieszanie zacieru odbywa się poprzez przepompowanie zacieru przez zewnętrzny wymiennik ciepła i z powrotem do zbiornika. Systemy wsadowe działają poprzez napełnienie zbiornika, przeprowadzenie wieloetapowego procesu hydrolizy enzymatycznej, a następnie przepompowanie całej objętości zacieru do fermentorów.

Systemy ciągłej hydrolizy skrobi wymagają bardziej zaawansowanego sprzętu, ale zazwyczaj są bardziej wydajne. Systemy ciągłe zazwyczaj wykorzystują „warniki strumieniowe”, w których zacier i łodygi są mieszane pod ciśnieniem w temperaturze od 105 do 150°C. Woda, surowiec i enzym są podawane do zbiornika z mieszanką wstępną z kontrolowaną szybkością, podgrzewane i pompowane pod ciśnieniem przez dyszę. Zacier jest utrzymywany pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze przez kilka minut, a następnie odprowadzany z warnika do zbiorników magazynowych, gdzie jest schładzany i dodawany jest dodatkowy enzym. Zacier jest następnie przesyłany do fermentorów. Wysokie ciśnienie i temperatura w tych systemach zapewniają bardziej wydajną żelatynizację i hydrolizę skrobi. Systemy te wymagają kotłów wysokociśnieniowych i stosunkowo zaawansowanych systemów do utrzymywania zacieru pod ciśnieniem. Sprzęt jest dobierany na podstawie wydajności fermentora i czasu przebywania zacieru w warnikach.

Fermentacja

Fermentacja odbywa się w zbiornikach wyposażonych w mieszadło i wymienniki ciepła, które odprowadzają ciepło wytwarzane podczas fermentacji. Rozmiar zbiornika zależy od stężenia cukru w ​​zacierze, czasu fermentacji, końcowego stężenia etanolu oraz wydajności zakładu.

Końcowe stężenie etanolu w zacierze jest bezpośrednią funkcją stężenia cukru w ​​zacierze. W granicach tolerancji surowców i drożdży na etanol, pożądane są wyższe stężenia etanolu. Maksymalne stężenie etanolu w zacierze wynosi około 10% wagowo/objętościowych. Przy stężeniach powyżej 10% drożdże giną. Zasadniczo surowce o wysokiej zawartości wilgoci i stężeniu cukru lub skrobi poniżej 20% można fermentować bez rozcieńczania. Surowce o wysokim stężeniu skrobi lub cukru wymagają rozcieńczenia. Cukier zostanie zmarnowany, jeśli stężenie przekroczy wartość niezbędną do wytworzenia maksymalnej ilości etanolu tolerowanej przez drożdże.

Fermentacja trwa zazwyczaj od 12 do 72 godzin, w zależności od ilości drożdży użytych do rozpoczęcia fermentacji oraz stężenia cukru w ​​zacierze. Instalacje są zazwyczaj wyposażone w wiele zbiorników fermentacyjnych, pracujących w systemie zmianowym, aby zapewnić ciągłe dostawy sfermentowanego zacieru do destylacji.

Jednym z najpoważniejszych problemów w produkcji etanolu, zwłaszcza w małych zakładach, jest zanieczyszczenie zacieru bakteriami. Bakterie wykorzystują cukry, które w przeciwnym razie zostałyby przekształcone w etanol. Dobra konstrukcja instalacji i wydajna fermentacja pozwalają kontrolować zanieczyszczenie bez konieczności stosowania kosztownych systemów sterylizacji.

Destylacja

Systemy destylacji mogą być wsadowe lub ciągłe. Wybór jednego lub drugiego systemu zależy od skali zakładu. Oba typy wymagają systemów grzewczych, zazwyczaj pary wodnej (która może pochodzić z kotłów niskociśnieniowych), kolumny destylacyjnej i skraplacza.

Rozmiar kolumny destylacyjnej i wydajność produkcji etanolu zależą od stężenia etanolu w fermentowanym zacierze, wydajności fermentacji i harmonogramów produkcji. Małe instalacje – o rocznej produkcji etanolu do około 100 000 litrów – mogą efektywnie wykorzystywać systemy destylacji okresowej. W systemach okresowych cała objętość zacieru jest wprowadzana do dużego zbiornika zwanego alembikiem, który jest następnie podgrzewany. Opary przedostają się do kolumny destylacyjnej. Chociaż systemy okresowe są mniej wydajne niż systemy destylacji ciągłej, są znacznie łatwiejsze w budowie i obsłudze.

W systemach z ciągłym zasilaniem, sfermentowany zacier jest pompowany z kontrolowaną prędkością do kolumny destylacyjnej, a ciepło jest wprowadzane na jej dnie. W górnej części kolumny znajduje się otwór umożliwiający powrót nieprzetworzonego zacieru do systemu. Kolumny z ciągłym zasilaniem powinny być stosowane w dużych instalacjach, w których zwiększona wydajność uzasadnia zwiększoną złożoność.

Odwodnienie

Przeznaczenie etanolu determinuje potrzebę stosowania systemów odwadniających w celu usunięcia pięciu procent wody, której nie można oddzielić metodą destylacji. Odwadnianie jest wymagane, jeśli etanol ma być mieszany z benzyną. Obecność wody w mieszankach etanolu z benzyną powoduje rozdzielenie faz w zbiornikach magazynowych lub zbiornikach paliwa. Odwadnianie nie jest wymagane, jeśli etanol ma zastąpić benzynę. Etanol może być stosowany bezpośrednio w zmodyfikowanych silnikach w stężeniu od 80 do 95 procent.

Odzyskiwanie produktów ubocznych

Stałe produkty uboczne odzyskuje się z gorzelni za pomocą urządzeń do separacji fazy stałej od ciekłej. Urządzenia te obejmują zarówno proste sita, jak i tak złożone urządzenia, jak wirówki czy filtry próżniowe. Rozpuszczalne białko z rzadkiej gorzelni można odzyskać poprzez odparowanie. Suszenie jest konieczne, jeśli produkty uboczne mają być przechowywane lub transportowane na znaczne odległości. Gorzelnia o wysokiej zawartości wilgoci często może być bezpośrednio karmiona zwierzętami gospodarskimi w miejscu produkcji etanolu lub w jego pobliżu, z minimalnym procesem separacji lub przetwarzania.

Oczyszczanie ścieków

Produkcja każdej objętości etanolu paliwowego wygeneruje około dziewięciu objętości ścieków. Część ścieków można poddać recyklingowi i wykorzystać do rozcieńczania surowców o wysokim stężeniu. Jednak nawet jeśli ścieki zostaną poddane recyklingowi, nadal mogą powodować znaczny problem zanieczyszczenia. Aby uniknąć zanieczyszczenia wód powierzchniowych lub gruntowych, ścieki muszą zostać poddane degradacji mikrobiologicznej; to znaczy, że szkodliwa materia organiczna zawarta w ściekach musi zostać rozłożona przed ich utylizacją. Odbywa się to beztlenowo, tlenowo lub poprzez sekwencyjną kombinację tych dwóch metod. Degradacja ścieków odbywa się zazwyczaj w prostym stawie oczyszczającym, a następnie, w razie potrzeby, w stawie stabilizującym. Alternatywnie, ścieki mogą być kierowane do biogazowni, łącząc produkcję energii z przetwarzaniem odpadów.

Usługi komunalne

Produkcja etanolu wymaga wody, paliwa do kotłów oraz transportu surowca, etanolu i produktów ubocznych. Energia elektryczna może być wykorzystywana do zasilania pomp, silników mieszających, układów sterowania procesami i urządzeń pomiarowych, ale na całym świecie istnieje wiele jednostek, które produkują nawet 10 000 galonów rocznie bez użycia prądu. Woda jest niezbędna do rozcieńczania i chłodzenia zacieru w wymiennikach ciepła stosowanych w systemach hydrolizy skrobi, fermentorach i skraplaczach.

Kotły wykorzystywane do wytwarzania pary technologicznej wymagają taniego i niskiej jakości paliwa, takiego jak gaz ziemny, biogaz, biomasa, węgiel, olej resztkowy lub bagassa (bagassa to rozdrobniona trzcina cukrowa lub odpady buraczane z produkcji cukru). Wysokiej jakości paliwa płynne lub energia elektryczna są nieekonomiczne i nieefektywne w użyciu jako paliwo do kotłów. Na koniec, surowiec musi zostać przetransportowany do zakładu, a produkty, zarówno etanol, jak i pasza dla zwierząt, muszą zostać przetransportowane do miejsca wykorzystania.

Zapotrzebowanie na energię w procesie produkcji etanolu jest zróżnicowane w zależności od sprzętu, projektu procesu i surowca. Produkcja jednego litra etanolu o wartości opałowej 5625 kcal/litr wymagałaby zazwyczaj 800–1200 kcal do gotowania, 1300–1500 kcal do destylacji, 800–1000 kcal do odwodnienia i około 300 kcal do zasilania silników mieszających i pomp. Suszenie produktów ubocznych powstających w procesie produkcji jednego litra etanolu może wymagać dodatkowych 600–700 kcal. Produkcja bezwodnego etanolu i suszonych produktów ubocznych ze zbóż – reprezentujących najwyższy zakres zapotrzebowania na energię w procesie – wymagałaby 2800–3800 kcal/litr. Produkcja 90-procentowego etanolu z surowca cukrowego bez suszenia produktów ubocznych – co stanowi najniższy poziom zużycia energii w procesie – wymagałaby 1600–1800 kcal/litr.

Dostępność i koszt mediów to kluczowe czynniki wpływające zarówno na skalę, jak i ekonomikę produkcji alkoholu. Do niepowodzenia projektów produkcji paliwa etanolowego w krajach rozwijających się przyczyniły się dwa czynniki: (1) zakłady produkujące paliwo etanolowe były tak duże, że przedsiębiorstwa je wspierające nie były w stanie zaspokoić ich zapotrzebowania na energię; oraz (2) zakłady były zlokalizowane tak daleko od surowca, że ​​transport był nieopłacalny.

Skala roślinna

Wielkość instalacji do produkcji etanolu waha się od kilku tysięcy litrów do ponad 100 milionów litrów rocznej produkcji. Projektowanie i eksploatacja małych instalacji można znacznie uprościć, łącząc hydrolizę skrobi, fermentację i destylację okresową w wielofunkcyjnych zbiornikach procesowych. Instalacje mogą obejmować jeden lub kilka zbiorników dostarczających przefermentowany zacier do pojedynczej kolumny destylacyjnej. W ten sposób można projektować instalacje o wydajności do około 100 000 litrów rocznie. Nawet większe instalacje okresowe można rozważyć, jeśli dostępne jest tanie paliwo do kotłów. Przy dobrym wsparciu technicznym, małe instalacje okresowe można budować i eksploatować, wykorzystując lokalne zasoby i umiejętności na poziomie społeczności.

Większą wydajność operacyjną w większych zakładach można uzyskać poprzez rozdzielenie hydrolizy skrobi i fermentacji w specjalnie zaprojektowanych systemach oraz zastosowanie kolumn destylacyjnych z ciągłym zasilaniem. Generalnie, wyższy nakład kapitałowy i złożoność operacyjna tego typu instalacji zwrócą się w postaci wydajności operacyjnej. Duże wytwórnie alkoholu wymagają co najmniej kilku pracowników o stosunkowo zaawansowanych umiejętnościach zarządczych i technicznych. Projektowanie, wyposażenie i budowa zakładów często wymagają zasobów spoza lokalnej społeczności.

KOSZT/EKONOMIA

Trudno jest podać ogólne informacje na temat ekonomiki produkcji paliwa etanolowego, ponieważ koszty produkcji i wartość produktu zależą od lokalizacji zakładu, surowców, skali produkcji i końcowego zastosowania.

Produkcja etanolu obejmuje zarówno koszty kapitałowe, jak i operacyjne. Dwa ważne czynniki wpływające na koszty kapitałowe w małych zakładach wsadowych to systemy hydrolizy skrobi oraz wydajność kotła. W dużych zakładach inżynieria, systemy destylacji i kontrola procesu odgrywają stosunkowo większą rolę. Generalnie koszty kapitałowe w zakładach produkujących alkohol wahają się od 0,50 do 1 dolara amerykańskiego na litr rocznej zdolności produkcyjnej. Na podstawie danych z zakładów w USA, koszty kapitałowe na litr rocznej zdolności produkcyjnej w przypadku bardzo małych i bardzo dużych zakładów są zazwyczaj wyższe niż w przypadku zakładów średniej skali – produkcja roczna wynosi od 1 do 10 milionów litrów.

Największym kosztem operacyjnym w produkcji etanolu, niezależnie od skali, są surowce. Aby produkcja etanolu była opłacalna, niezbędne jest ekonomiczne zaopatrzenie w surowce. W małych zakładach koszty pracy mogą mieć również stosunkowo duże znaczenie.

Przy ocenie kosztów produkcji etanolu istotne znaczenie mają również pośrednie koszty konwersji silników, dystrybucji i marketingu, mediów w zakładzie oraz transportu surowców i produktów.

Wartość rynkowa etanolu zależy od końcowego zastosowania. Wartość rynkowa etanolu jako paliwa zastępczego jest zazwyczaj mierzona w odniesieniu do cen benzyny. Wartość rynkowa etanolu zmieszanego z benzyną może być wyższa niż benzyny ze względu na wyższą liczbę oktanową w mieszankach etanolu i benzyny.

Wartość rynkowa produktów ubocznych jest mierzona w stosunku do lokalnej ceny paszy dla zwierząt. Wartość ta jest zazwyczaj ustalana poprzez porównanie zawartości białka w paszach.

Inne czynniki, poza kosztami produkcji etanolu i jego wartością rynkową, mogą mieć również istotne znaczenie dla analizy ekonomicznej. Zastąpienie importowanej ropy naftowej krajowym paliwem odnawialnym może poprawić deficyty bilansu płatniczego i może być korzystne ekonomicznie pomimo relatywnie wyższych kosztów etanolu. Możliwości zatrudnienia na obszarach wiejskich, alternatywne rynki zbytu dla produktów rolnych oraz niezależność energetyczna mogą przynieść znaczące korzyści ekonomiczne, oprócz bezpośredniego uwzględnienia rentowności zakładu.