エタノール燃料

2013年に世界中で使用された主なエタノール混合物の概要
米国におけるトウモロコシとエタノールの生産
  トウモロコシ総生産量（ブッシェル）（左）
  エタノール燃料用トウモロコシ（ブッシェル）（左）
  エタノールに使用されるトウモロコシの割合（右）
Saab 9-3 SportCombi BioPower は、 Saabがスウェーデン市場に導入した2 番目のE85フレックス燃料モデルです。

エタノール燃料はアルコールベースの燃料で、トウモロコシ、サトウキビなどの作物やその他のバイオマスから糖を発酵させることで一般的に生産されますが、石油派生物から合成することもできます。アルコール飲料に含まれるアルコールと同じ種類のものですが、化石燃料への依存を減らし、温室効果ガスの排出を抑えるために、純粋な燃料として、またはバイオ燃料添加剤としてガソリン混合物に混合して、輸送においてガソリンの代替品として最もよく使用されます。ブラジルと米国のエタノール燃料は世界のエタノール生産を支配しており、2つで供給の大部分を占めており、多くの国で自動車燃料へのエタノール混合が義務付けられています。

歴史的に、エタノールは20世紀初頭から燃料として利用されており、1970年代のエネルギー危機の際にブラジルが先駆けとなって大規模導入を行いました。フレックス燃料車技術の進歩と政府の政策により、世界中でエタノールの利用が拡大しています。エタノールの化学組成（C₂H₅OH）は、二酸化炭素と水を生成するクリーンな燃焼を可能にし、高いオクタン価は高圧縮エンジンに適しています。エタノールの大部分は、糖類の微生物発酵、それに続く蒸留と脱水によって生産されますが、エチレンから合成されるエタノールは世界の生産量のわずかな割合に過ぎません。

エタノールは再生可能エネルギー源と考えられていますが、その生産には環境面および経済面での懸念があります。ブラジルのサトウキビ由来のエタノールは、ガソリンに比べてエネルギー収支が良好で炭素排出量が少ないのに対し、米国のトウモロコシ由来のエタノールは、その恩恵はより控えめです。エタノールの大規模栽培は、食料価格、水資源、土地利用に影響を与える可能性があり、生産および燃焼による排出量は原料やプロセスによって異なります。持続可能性を向上させ、環境への影響を軽減するためのセルロース系エタノールやその他の先進的な手法の 研究は継続されています。

世界中でいくつかの一般的なエタノール燃料混合物が使用されています。純粋な含水エタノールまたは無水エタノールを内燃機関（ICE）で使用するには、エンジンがその目的のために設計または改造されている必要があります。無水エタノールはガソリンエンジンで使用するためにガソリンと混合できますが、純粋なエタノールは同量の純粋なガソリンのほんの一部しかエネルギーを含んでいないため、エンジンを改造する必要があります。ガソリンに比べて効率が悪いにもかかわらず、エタノールはガソリンに比べて完全燃焼するため燃焼時の温室効果ガス排出量が少なく、有毒ガスの排出も少なく、環境に優しい代替燃料となっています。[ 1 ]

歴史と用途

輸送燃料用の世界のエタノール生産量は、2000年から2007年の間に3倍に増加しました[ 2 ]。また、エタノール生産量は全般的に時間とともに増加していますが、2020年にはCOVID-19パンデミックの影響で生産量は減少しました。[ 3 ]エタノール混合燃料は、ブラジル、米国、カナダ、ヨーロッパで広く使用されています（国別のエタノール燃料も参照）。[ 4 ] 現在米国の道路を走る車のほとんどは、最大15％のエタノール混合燃料で走行でき、[ 5 ]また、2011年には米国のガソリン燃料供給量の10％をエタノールが占めていました。[ 4 ]一部のフレックス燃料車は、最大100％のエタノールを使用することができます。

完全にエタノールで走る最初の量産車は、1978年にブラジルでフィアット社によって発売されたフィアット147でした。1976年以来、ブラジル政府はガソリンにエタノールを混合することを義務付けており、2007年以来、法定混合率は約25%のエタノールと75%のガソリン（E25）です。[ 6 ] 2011年12月までに、ブラジルには1,480万台のフレックス燃料自動車と小型トラック[ 7 ] [ 8 ]と150万台のフレックス燃料オートバイ[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]があり、これらは定期的にニートエタノール燃料（E100として知られる）を使用しています。

輸送燃料用の世界のエタノール生産量は、2000年から2007年の間に17 × 10 9リットル（4.5 × 10 9 米ガロン、3.7 × 10 9英ガロン）から52 × 10 9リットル（14 × 10 9 米ガロン、11 × 10 9英ガロン） 以上に3倍に増加した 。2007年から2008年にかけて、ガソリン型燃料の使用におけるエタノールの割合は、世界の3.7%から5.4%に増加した。[ 2 ] 2011年の世界のエタノール燃料生産量は8.46 × 10 9リットル（2.23 × 10 9 米ガロン、1.86 × 10 9 英ガロン）に達し、米国とブラジルがそれぞれ世界生産量の62.2%と25%を占める最大の生産国となった。[ 4 ]米国のエタノール生産量は2017年5月に57.54 × 109リットル（15.20 × 109 米ガロン、12.66 × 109英 ガロン）に達した。[ 12 ]^^^^^^^^

化学

エタノール分子の構造。すべての結合は単結合である。

エタノール発酵では、トウモロコシ（またはサトウキビや他の作物）に含まれるグルコースなどの糖がエタノールと二酸化炭素に変換されます。

C 6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH+ 2 CO 2 + 熱

エタノール発酵は、酢酸やグリコールなどの副産物を100%選択的に生成するわけではありません。これらの副産物はエタノール精製時にほぼ除去されます。発酵は水溶液中で行われ、得られた溶液のエタノール含有量は約15%です。その後、吸着と蒸留の組み合わせによってエタノールが分離・精製されます。

燃焼中、エタノールは酸素と反応して二酸化炭素、水、熱を生成します。

C 2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O + 熱

デンプンとセルロース分子はグルコース分子の鎖です。セルロース系材料からエタノールを生成することも可能であり、その際にはセルロースをグルコース分子とその他の糖に分解し、その後発酵させる前処理が必要です。得られた生成物は、その由来を示す 「セルロース系エタノール」と呼ばれます。

エタノールは、触媒と高温の存在下で の二重結合の水和によってエチレンから工業的にも生産されます。

C 2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH

エタノールのほとんどは発酵によって生産されます。

出典

サトウキビの収穫
トウモロコシバイオマス収穫
スイッチグラス

2003年に世界で生産されたエタノールの約5%は、実際には石油製品でした。[ 13 ]これは、硫酸を触媒としてエチレンを触媒水和させることによって作られます。また、エチレンまたはアセチレンを経由して、炭化カルシウム、石炭、石油ガス、その他の資源から得ることもできます。石油由来のエタノールは、年間200万ショートトン（1,786,000ロングトン、1,814,000t）生産されています。主な供給元は、米国、ヨーロッパ、南アフリカの工場です。[ 14 ]石油由来エタノール（合成エタノール）は、化学的にはバイオエタノールと同一であり、放射性炭素年代測定によってのみ区別できます。[ 15 ]

バイオエタノールは通常、炭素ベースの原料を変換することで得られます。農業原料は、成長に必要なすべてのミネラル（窒素やリンなど）が土地に還元されることを条件に、光合成によって太陽からエネルギーを得るため、再生可能と見なされます。エタノールは、サトウキビ、バガス、ススキ、テンサイ、モロコシ、穀物、スイッチグラス、大麦、麻、ケナフ、ジャガイモ、サツマイモ、キャッサバ、ヒマワリ、果物、糖蜜、トウモロコシ、茎葉、穀物、小麦、わら、綿、その他のバイオマス、そして多くの種類のセルロース廃棄物など、様々な原料から生産できます。これらの原料から、Well-to-Wheel（燃料供給から車輪まで）の評価が最も優れたものを選んで収穫します。

2008年、アルジェノール社は藻類からバイオエタノールを生産する代替プロセスを発表しました。藻類を栽培し、収穫・発酵させるのではなく、藻類を日光で生育させて直接エタノールを生産し、藻類を死滅させることなくエタノールを抽出します。このプロセスでは、年間6,000米ガロン/エーカー（5,000英ガロン/エーカー、56,000リットル/ヘクタール）の生産が可能とされています。これは、トウモロコシ生産の場合の年間400米ガロン/エーカー（330英ガロン/エーカー、3,700リットル/ヘクタール）を大幅に上回ります。[ 16 ]このプロジェクトは2015年に中止されました。[ 17 ]

トウモロコシからエタノールを生産する第一世代のプロセスでは、トウモロコシのごく一部しか使用しません。つまり、トウモロコシの実を採取し、乾燥粒重量の約50%を占めるデンプンのみをエタノールに変換します。現在、2種類の第二世代プロセスが開発中です。第一タイプは、酵素と酵母発酵を利用して植物セルロースをエタノールに変換し、第二タイプは熱分解を利用して植物全体を液体バイオオイルまたは合成ガスに変換します。第二世代プロセスは、イネ科植物、木材、藁などの農業廃棄物にも適用できます。

生産

ミネソタ州クレアモントのエタノール工場
米国のエタノール工場

バイオエタノールは、農業原料から生産できる再生可能エネルギーの一種です。[ 18 ]麻、サトウキビ、ジャガイモ、キャッサバ、トウモロコシといったごく一般的な作物から作ることができます。バイオエタノールがガソリンの代替としてどれほど有用であるかについては、多くの議論があります。バイオエタノールの生産と利用に関する懸念は、作物の栽培に必要な広大な耕作地（バイオ燃料による間接的な土地利用変化の影響を参照）による食料価格の上昇、そして特にトウモロコシからのエタノール生産サイクル全体におけるエネルギーと汚染のバランスに関連しています。[ 19 ] [ 20 ]

エタノール燃料を生産する方法はいろいろありますが、最も一般的なのは発酵です。

エタノールの大規模生産の基本的な手順は、微生物（酵母）による糖の発酵、蒸留、脱水（要件は様々です。下記の「エタノール燃料混合物」を参照）、そして変性（オプション）です。発酵の前に、一部の作物ではセルロースやデンプンなどの炭水化物を糖に糖化または加水分解する必要があります。セルロースの糖化はセルロース分解と呼ばれます（セルロース系エタノールを参照）。デンプンを糖に変換するには酵素が用いられます。[ 21 ]

発酵

エタノールは、糖を微生物発酵させることで生産されます。微生物発酵は現在、糖を直接利用する場合にのみ有効です。植物の主要成分であるデンプンとセルロースはどちらも糖でできており、原理的には発酵のために糖に変換できます。現在、経済的に変換できるのは、糖（例：サトウキビ）とデンプン（例：トウモロコシ）の部分のみです。

植物セルロースを糖に分解し、その糖をエタノールに変換するセルロース系エタノールへの関心が高まっている。 [ 22 ]しかし、セルロース系エタノールは現在経済的に見て採算が取れず、商業的には利用されていない。2006年の国際エネルギー機関（IEA）の報告書によると、セルロース系エタノールは将来的に重要になる可能性がある。[ 23 ]

蒸留

アイオワ州ウェストバーリントンのエタノール工場
ブラジルのピラシカバにあるエタノール工場

エタノールを燃料として使用するには、酵母固形物と大部分の水を除去する必要があります。発酵後、マッシュを加熱してエタノールを蒸発させます。[ 24 ]蒸留と呼ばれるこのプロセスでエタノールが分離されますが、最大でエタノール95.6% m/m（96.5% v/v）と水4.4% m/m（3.5% v/v）の低沸点水エタノール共沸混合物が形成されるため、その純度は95～96%に制限されます。この混合物は含水エタノールと呼ばれ、単独で燃料として使用することもできますが、無水エタノールとは異なり、含水エタノールはガソリンとあらゆる比率で混和するわけではないため、通常はさらなる処理で水分を除去し、ガソリンエンジンでガソリンと組み合わせて燃焼させます。[ 25 ]

脱水

共沸エタノール/水混合物から水分を除去するには、3つの脱水プロセスがあります。初期の燃料用エタノール工場で多く使用されていた最初のプロセスは、共沸蒸留と呼ばれ、混合物にベンゼンまたはシクロヘキサンを添加するものです。これらの成分を混合物に加えると、気液平衡にある不均一な共沸混合物が形成され、蒸留すると塔底に無水エタノールと、水、エタノール、シクロヘキサン/ベンゼンの混合蒸気が生成されます。

凝縮すると二相液体混合物になります。重相は共沸剤（ベンゼンまたはシクロヘキサン）の含有量が少なく、共沸剤が除去されて原料にリサイクルされます。一方、軽相は、ストリッピングで得られた凝縮液と共に第二塔にリサイクルされます。もう一つの初期の方法は抽出蒸留と呼ばれ、エタノールの相対揮発性を高める三元成分を添加することです。この三元混合物を蒸留すると、塔頂に無水エタノールが生成されます。

省エネルギーへの関心が高まるにつれ、蒸留を全く必要としない脱水方法が数多く提案されている。これらの方法の中で、第三の方法が登場し、現代のエタノール工場の大半で採用されている。この新しいプロセスでは、分子ふるいを用いて燃料エタノールから水分を除去する。このプロセスでは、加圧されたエタノール蒸気が分子ふるいビーズ層を通過する。ビーズの細孔は、エタノールを排除しながら水分を吸着できる大きさに設計されている。一定時間後、吸着された水分を除去するため、真空下または不活性雰囲気（例：N2）下で再生される。この再生工程では、2つの吸着層が使用されることが多く、一方の吸着層で水分を吸着し、もう一方の吸着層で再生を行う。この脱水技術は、従来の共沸蒸留と比較して、3,000 btus/ガロン（840 kJ/L）のエネルギー節約が可能となる。[ 26 ]

最近の研究では、ガソリンと混合する前に完全な脱水を行う必要は必ずしもないことが実証されています。共沸混合物をガソリンと直接混合することで、液液平衡が水分の除去を助けます。ミキサーセトラータンクを用いた二段向流方式により、最小限のエネルギー消費でエタノールを燃料相に完全に回収することができます。[ 27 ]

ポストプロダクションの水問題

エタノールは吸湿性があり、大気中の水蒸気を直接吸収します。吸収した水はエタノールの燃料価値を薄め、エタノールとガソリンの混合液の相分離（エンジンストールの原因）を引き起こす可能性があるため、エタノール燃料の容器はしっかりと密閉する必要があります。この水との混和性の高さは、エタノールを液体炭化水素のように現代のパイプラインで長距離輸送するのに効率的ではないことを意味します。 [ 28 ]

エタノールガソリン燃料が相分離せずに含むことができる水の割合は、エタノールの割合とともに増加します。[ 29 ]例えば、E30は最大約2％の水を含むことができます。エタノールが約71％を超える場合、残りは水またはガソリンの任意の割合で含むことができ、相分離は起こりません。水分量が増えると燃費は低下します。エタノール含有量が多いほど水の溶解度が高くなるため、E30と含水エタノールを同じタンクに入れることができます。なぜなら、これらを組み合わせても常に単一の相になるからです。低温では、許容される水分量はやや少なくなります。E10の場合、21℃で約0.5％v/vですが、-34℃では約0.23％v/vに減少します。[ 30 ]

消費者生産システム

バイオディーゼル生産システムは長年にわたり家庭用および業務用として販売されてきましたが、最終消費者向けに設計された商用エタノール生産システムは市場で遅れをとっています。2008年には、2社が家庭用エタノール生産システムを発表しました。Allard Research and Development社のAFS125 Advanced Fuel System [ 31 ]は、1台の機械でエタノールとバイオディーゼルの両方を生産できますが、E-Fuel Corporation社のE-100 MicroFueler [ 32 ]はエタノール専用です。

エンジン

ブラジル航空宇宙記念館に展示されている、エタノールを燃料とする世界初の自動車、クライスラー・ダッジ1800

効率

アメリカ合衆国では、エタノール燃料の「ガソリンガロン当量」（GGE）値は約1.5です。つまり、ガソリン1容量のエネルギーを置き換えるには、エタノールの1.5倍の容量が必要です。[ 33 ]エタノールは通常ガソリンよりも安価ですが、GGEのエタノールはエタノール価格が1.5倍になるため、ガソリンより安くなることはめったにありません。[ 34 ]エタノールの非常に高いオクタン価は非常に高い圧縮比と互換性があるため、一部のレーシングエンジンアプリケーションでは高濃度エタノール混合物が使用されています。

燃費

エタノールはガソリンに比べて単位体積あたりのエネルギーが約34%少ないため、理論上は、純粋なエタノールを車両で燃焼させると、純粋なガソリンを燃焼させた場合と比較して、同じ燃費で単位体積あたりの航続距離が34%減少します。しかし、エタノールはオクタン価が高いため、圧縮比を上げることでエンジンの効率を高めることができます。[ 35 ] [ 36 ]

E10（エタノール10％、ガソリン90％）の場合、未改造車の燃費は、従来のガソリンに比べて増加幅が小さく（最大2.8％）、[ 37 ]、酸素添加・改質混合ガソリンに比べて増加幅はさらに小さく（1～2％）なっています。[ 38 ] E85（エタノール85％）の場合、その影響は大きくなります。E85はガソリンに比べて燃費が悪く、より頻繁な給油が必要です。実際の性能は車両によって異なる場合があります。2006年式E85全モデルのEPAテストによると、E85車の平均燃費は無鉛ガソリンより25.56％低かったです。[ 39 ]現在の米国のフレックス燃料車のEPA定格燃費[ 40 ]は価格比較の際に考慮する必要がありますが、E85はオクタン価が約94～96の高性能燃料なのでプレミアム燃料と比較する必要があります。[ 41 ] RACQによると、エタノールはほとんどの航空機には適しておらず、一部のオートバイや小型エンジンにも適していません。[ 42 ]ただし、エンブラエルEMB202イパネマは、一部の派生型でエタノール燃料を使用するように特別に設計された航空機の例です。

冬の間のコールドスタート

ブラジルの 2008 年型ホンダ シビックフレックスフューエルには、右前側にある二次リザーバー ガソリン タンクに外部から直接アクセスできる機能があります。対応する燃料注入口は矢印で示されています。

エタノールの高混合燃料では、寒冷時に燃料が蒸発して点火するのに十分な蒸気圧を達成するのが難しくなる（エタノールは燃料の蒸発エンタルピーを高める傾向があるため[ 43 ] ）。蒸気圧が 45 kPaを下回ると、冷えたエンジンの始動が困難になる。[ 44 ]気温が 11 °C（52  °F ）以下のときにこの問題を回避するため 、また寒冷時のエタノールによる排出量の増加を抑えるために、米国市場と欧州市場の両方で、フレキシブル燃料車で使用する最大混合燃料として E85 を採用し、この混合燃料で走行するように最適化されている。寒冷地では、米国のエタノール混合燃料は、極寒地域では季節的にE70に減らされているが、それでも E85 として販売されている。 [ 45 ] [ 46 ]冬季に気温が -12 °C（10  °F ）を下回る地域では 、ガソリン車と E85 車の両方にエンジンヒーターシステムを取り付けることが推奨される。スウェーデンでも同様の季節的な削減が行われていますが、ブレンド中のエタノール含有量は冬季には75ユーロに削減されます。 [ 46 ] [ 47 ]

ブラジルのフレックス燃料車は、最大E100 のエタノール混合燃料で作動する。これは含水エタノール（最大 4% の水分を含む）で、E85 車に比べて蒸気圧の低下が早い。その結果、ブラジルのフレックス燃料車は、エンジンの近くに小さな二次ガソリンタンクが備え付けられて製造されている。コールドスタート時には、低温での始動の問題を回避するために、純粋なガソリンが噴射される。この備えは、 冬季に気温が通常 15 °C（59  °F ）を下回るブラジルの南部および中央部のユーザーにとって特に重要である。2009 年に、二次ガス貯蔵タンクの必要性をなくした改良型フレックスエンジン世代が発売された。 [ 48 ] [ 49 ] 2009 年 3 月、フォルクスワーゲン・ド・ブラジルは、コールドスタート用の補助タンクを持たないブラジル初のフレックス燃料モデルであるポロ E-Flex を発売した。[ 50 ] [ 51

燃料混合物

ブラジル向け含水エタノール× Cガソリン価格表
EPAのE15ラベルは、米国のすべてのE15燃料ディスペンサーに表示することが義務付けられています。

多くの国では、車はエタノール混合燃料で走ることが義務付けられている。ブラジルの小型車はすべてエタノール混合25%（E25）まで作動するように作られており、1993年以来連邦法によりエタノール22%～25%の混合が義務付けられており、2011年7月中旬からは25%が義務付けられている。 [ 52 ]アメリカ合衆国では、小型車はすべてエタノール混合10%（E10）で正常に作動するように作られている。2010年末の時点で、アメリカで販売されたガソリンの90%以上にエタノールが混合されていた。[ 53 ] 2011年1月、アメリカ環境保護庁（EPA）は2001年モデル以降の乗用車と小型ピックアップトラックに限り、ガソリンにエタノールを15%まで混合した燃料（E15 ）の販売を許可する免除を発行した。[ 54 ] [ 55 ]

1999 年モデル以降、世界中で、エタノール 0% から 100% までの燃料で改造せずに作動できるエンジンを搭載した車両の製造が増えています。多くの乗用車と小型トラック(ミニバン、SUV、ピックアップトラックを含むクラス) は、北米とヨーロッパでは最大 85% ( E85 )、ブラジルでは最大 100% (E100)のエタノール混合を使用するフレックス燃料車として設計されています。古いモデルでは、エンジン システムには、燃料内のアルコール センサーや排気内の酸素センサーが含まれており、エンジン制御コンピューターに入力を提供して燃料噴射を調整し、あらゆる燃料混合物に対して理論空燃比(排気中に残留燃料や自由酸素がない) を実現していました。新しいモデルでは、アルコール センサーは取り外され、コンピューターは酸素とエアフロー センサーのフィードバックのみを使用してアルコール含有量を推定します。エンジン制御コンピューターは、燃焼中の燃料に含まれるアルコール濃度が高いと予測した場合、点火時期を調整（進角）することで、プレイグニッションを起こさずに高い出力を実現できます。この手法は、エタノール使用の有無にかかわらず、ほとんどの高性能ガソリンエンジンに搭載されている高度なノックセンサーによって裏付けられており、プレイグニッションとデトネーションを検出します。

インドは2021年6月、エタノール20%混合の自動車燃料導入目標を2025年に前倒しした。インドの燃料におけるエタノール混合率は（この目標改定時点で）8%だが、6月5日（世界環境デー）にナレンドラ・モディ首相が発表した「インドにおけるエタノール混合ロードマップ2020～25」に基づき、2022年までに10%に引き上げることになっている。政府は、インド石油公社（IOC）やヒンドゥスタン石油公社（HPCL）などの石油販売会社が、2023年4月以降、エタノール20%混合燃料を供給することを期待している。エタノールが余っているマハラシュトラ州やウッタル・プラデーシュ州などが、より高いエタノール混合率の燃料を採用する最初の州になると見込まれている。[ 56 ] [ 57 ]インドはまた、エタノール混合燃料に対応した車両の導入を優先している。2021年3月から、自動車メーカーは新車のエタノール適合性を示すことが義務付けられ、エンジンは20%のエタノール混合燃料を使用するように最適に設計されなければならない。政府は、自動車メーカーが2022年4月までにエタノール混合燃料対応車両の生産を開始することを期待している。[ 56 ]しかし、環境保護論者は、インドのエタノール混合目標の引き上げがサトウキビや米などの水集約型作物の栽培を奨励する可能性があることを懸念しており、インドは既に深刻な水不足に直面しているため、政府はキビなどの水集約度の低い作物に重点を置くべきだと主張している。[ 57 ]

その他のエンジン構成

ED95エンジン

1989年以来、スウェーデンではディーゼル原理に基づくエタノールエンジンも稼働している。[ 58 ]これらは主に市営バスで使用されているが、配送トラックや廃棄物収集車にも使用されている。スカニア社製のエンジンは圧縮比が改良されており、使用される燃料（ED95）はエタノール93.6%、着火剤3.6%、変性剤2.8%の混合物である。[ 59 ]着火剤により、ディーゼル燃焼サイクルで燃料が点火できるようになる。これにより、ディーゼル原理のエネルギー効率をエタノールでも利用することが可能となる。これらのエンジンは英国ではレディングバス社によって使用されているが、バイオエタノール燃料の使用は現在段階的に廃止されつつある。

デュアル燃料直噴

2004年のMITの研究と、自動車技術者協会（SAT）が以前に発表した論文では、燃料用エタノールの特性を、ガソリンと混合するよりもはるかに効率的に活用する方法が特定されました。この方法は、アルコールの使用を活用することで、ハイブリッド電気自動車の費用対効果を明らかに向上させる可能性を示しています。この改善は、ターボチャージャー付きの高圧縮比小排気量エンジンに、純アルコール（または共沸混合物、E85）とガソリンを、どちらかを最大100%までの任意の比率で直接噴射するデュアル燃料方式を採用することで実現されます。このエンジンは、排気量の2倍のエンジンと同等の性能を発揮します。各燃料は別々に搭載され、アルコール用のタンクははるかに小型です。高圧縮比（高効率）エンジンは、低出力巡航状態では通常のガソリンで作動します。急加速時など、「ノック」を抑制する必要がある場合にのみ、アルコールがシリンダー内に直接噴射され（同時にガソリン噴射量が減少します）、ノック抑制のために必要となる場合にのみ噴射されます。筒内直噴により、エタノールの元々高いオクタン価が実効130まで上昇します。ガソリン使用量とCO2排出量は全体で30%削減されると計算されています。消費者コストの回収期間は、ターボディーゼルと比較して4倍、ハイブリッドと比較して5倍に短縮されます。また、予混合ガソリンへの水分の吸収（相分離の原因）、複数の混合比による供給の問題、そして寒冷地での始動性の問題も回避されます。[ 60 ] [ 61 ]

熱効率の向上

2008年の研究では、複雑なエンジン制御と排気ガス再循環の強化により、純エタノールからE50までの燃料で圧縮比19.5を実現し、ディーゼル車とほぼ同等の熱効率を達成しました。[ 62 ]これにより、純エタノール車の燃費はガソリン車1台分とほぼ同じになります。

エタノール改質装置で駆動する燃料電池

2016年6月、日産は、ヒュンダイ・ツーソンFCEV 、トヨタ・ミライ、ホンダFCXクラリティなど、燃料電池車を開発・商品化している他の自動車メーカーが好んで使用する燃料である水素ではなく、エタノールを燃料とする燃料電池車の開発計画を発表した。この技術的アプローチの主な利点は、水素燃料ステーションの建設には100万～200万米ドルかかるため、高圧で水素を供給するために必要な燃料供給インフラを整備するよりも、燃料供給インフラの導入が安価で容易になることである。[ 63 ]

日産は、車両内で水素を生成するための燃料源として液体エタノール燃料を使用する技術の開発を計画している。この技術は、熱を利用してエタノールを改質し、固体酸化物形燃料電池（SOFC）と呼ばれる燃料電池に供給する。燃料電池は発電し、車輪を駆動する電動モーターに電力を供給する。バッテリーはピーク電力需要に対応し、回生エネルギーを蓄える。車両には水とエタノールの混合物を入れるタンクが搭載され、この混合物は車載改質装置に送られ、純粋な水素と二酸化炭素に分離される。日産によると、液体燃料はエタノールと水を55:45の割合で混合したものになる可能性がある。日産は2020年までにこの技術を実用化する予定である。[ 63 ]

国別生産量

2011年における世界最大のエタノール燃料生産国は、米国で13.9 × 10 9米ガロン（5.3 × 10 10リットル、1.16 × 10 10英ガロン）およびブラジルで5.6 × 10 9米ガロン（2.1 × 10 10リットル、4.7 × 10 9英ガロン）であり、両国で世界生産量22.36 × 10 9米ガロン（8.46 × 10 10リットル、1.862 × 10 10英ガロン）の87.1%を占めた。[ 4 ]強力なインセンティブとその他の産業育成イニシアチブが相まって、ドイツ、スペイン、フランス、スウェーデン、中国、タイ、カナダ、コロンビア、インド、オーストラリア、一部の中米諸国などの国々でエタノール産業が勃興しつつある。

国別燃料用エタノール年間生産量（2007～2011年）[ 4 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] 上位10カ国・地域ブロック（百万米液量ガロン/年）
世界ランク国/地域20112010200920082007
1 アメリカ合衆国13,900.0013,231.0010,938.009,235.006,485.00
2 ブラジル5,573.246,921.546,577.896,472.205,019.20
3 欧州連合1,199.311,176.881,039.52733.60570.30
4 中国554.76541.55541.55501.90486.00
5 タイ435.2089.8079.20
6 カナダ462.30356.63290.59237.70211.30
7 インド91.6766.0052.80
8 コロンビア83.2179.3074.90
9 オーストラリア87.2066.0456.8026.4026.40
10他の247.27
世界合計22,356.0922,946.8719,534.9917,335.2013,101.70

ブラジルのエタノール燃料プログラム

1970年代以降、ブラジルはエタノール燃料プログラムを実施しており、そのおかげで同国は世界第2位のエタノール生産国（米国に次ぐ）となり、世界最大の輸出国となった。[ 67 ]ブラジルのエタノール燃料プログラムは、近代的な設備と安価なサトウキビを原料として使い、残ったサトウキビの廃棄物（バガス）を使って熱と電力を生産している。[ 68 ]ブラジルでは、純粋なガソリンで走る軽自動車はもう存在しない。[ 69 ]

環境

エネルギーバランス

エネルギーバランス[ 70 ]
国 タイプ エネルギーバランス
アメリカ合衆国トウモロコシエタノール1.3
ドイツバイオディーゼル2.5
ブラジルサトウキビエタノール8
アメリカ合衆国セルロースエタノール†2～36 ††

† 実験段階であり、商業生産は行われていない

†† 製造方法によって異なります

すべてのバイオマスは、栽培、収集、乾燥、発酵、蒸留、燃焼といった段階を少なくともいくつか経ます。これらの段階すべてに資源とインフラが必要です。プロセスに投入されたエネルギーの総量と、得られたエタノール燃料の燃焼によって放出されるエネルギーとの比較は、エネルギーバランス（または「投入エネルギーに対する回収エネルギー」）として知られています。ナショナルジオグラフィック誌の2007年の報告書[ 70 ]に掲載された数値によると、米国で生産されるトウモロコシ由来のエタノールについては、控えめな結果となっています。得られたエタノールから1.3エネルギー単位を生成するには、化石燃料エネルギー1単位が必要です。ブラジルで生産されるサトウキビ由来のエタノールのエネルギーバランスはより良好で、エタノールから8エネルギー単位を生成するには、化石燃料エネルギー1単位が必要です。エネルギーバランスの推定は容易ではないため、矛盾する報告書が数多く作成されています。例えば、別の調査によると、生産的に生育するために熱帯気候を必要とするサトウキビからのエタノール生産は、消費エネルギー1単位あたり8～9単位のエネルギーを回収するのに対し、トウモロコシからのエタノール生産では、消費エネルギー1単位あたり約1.34単位の燃料エネルギーしか回収できないことが報告されています。[ 71 ]トウモロコシからのエタノール生産では、ガソリン生産よりもはるかに少ない石油が使用されます。[ 72 ]

温室効果ガスである二酸化炭素は、発酵と燃焼の際に排出されます。これは、植物が成長してバイオマスを生成する際に二酸化炭素をより多く吸収することで相殺されます。[ 73 ] 特定の方法で製造されたエタノールは、ガソリンよりも温室効果ガスの排出量が少なくなります。[ 74 ] [ 75 ]

大気汚染

従来の無鉛ガソリンと比較して、エタノールは微粒子を含まない燃料源であり、酸素と燃焼して二酸化炭素、一酸化炭素、水、アセトアルデヒドを生成します。米国大気浄化法では、一酸化炭素排出量を削減するために、酸素化剤の添加が義務付けられています。添加剤であるMTBEは、地下水汚染のため現在段階的に廃止されているため、エタノールは魅力的な代替添加剤となっています。現在の製造方法には、アンモニアなどの 多量栄養素肥料の製造による大気汚染が含まれています。

E85燃料は、最悪のシナリオである非常に大規模な都市で自動車をベースとした大都市である米国ロサンゼルスにおいて、ガソリンに比べて大気汚染による死亡リスクを9％増加させると予測されています。[ 76 ]オゾンレベルが大幅に上昇し、光化学スモッグが増加し、喘息などの健康問題が悪化します。[ 77 ] [ 78 ]

ブラジルは大量のエタノールバイオ燃料を燃焼しています。ブラジルのサンパウロ市の大気をガスクロマトグラフで分析し、エタノール燃料を燃焼させていない日本の大阪と比較しました。大気中のホルムアルデヒド濃度はブラジルで160%、アセトアルデヒド濃度は260%高くなりました。[ 79 ]

二酸化炭素

英国政府による米国産トウモロコシバイオエタノールの炭素強度の計算[ 80 ]
英国におけるバイオエタノールと化石燃料の炭素強度のグラフ。このグラフは、すべてのバイオエタノールが原産国で燃焼され、既存の農地が原料の栽培に使用されていることを前提としています。[ 80 ]

バイオエタノールの製造においてどれだけの二酸化炭素が発生するかを正確に計算することは複雑で不正確なプロセスであり、エタノールの製造方法と計算における仮定に大きく依存します。計算には以下の要素を含める必要があります。

  • 原料の栽培コスト
  • 原料を工場に輸送するコスト
  • 原料をバイオエタノールに加工するコスト

このような計算では、以下の影響が考慮される場合と考慮されない場合があります。

  • 燃料原料が栽培される地域の土地利用の変更にかかるコスト。
  • バイオエタノールを工場から使用場所まで輸送するコスト
  • 標準ガソリンと比較したバイオエタノールの効率
  • 排気管から排出される二酸化炭素の量。
  • 牛の飼料や電気などの有用な副産物の生産による利益。

右のグラフは、英国政府が再生可能輸送燃料義務のために計算した数値を示しています。[ 80 ]

トウモロコシ由来エタノールによる温室効果ガス排出量の削減率は7.4%と推定されています。ナショナルジオグラフィック誌の概要記事（2007年）[ 70 ]によると、トウモロコシ由来エタノールの生産と使用におけるCO2排出量はガソリンと比較して22% 、サトウキビ由来エタノールでは56%削減されます。自動車メーカーのフォードは、フレックス燃料車において、バイオエタノールの使用によりガソリンと比較してCO2排出量が70%削減されたと報告しています[ 81 ] 。

さらに複雑なのは、生産には新しい土壌を耕作する必要があることです[ 82 ]。これにより、一回限りの温室効果ガスの排出が発生し、それを相殺するには数十年または数世紀にわたる生産削減が必要になる場合があります[ 83 ] 。例えば、草地をエタノール用のトウモロコシ生産に転換するには、最初の耕作から排出された温室効果ガスを補うために、年間約1世紀にわたる節約が必要です[ 82 ] 。

土地利用の変化

農業用アルコールは大規模農業を必要とする。ある推計によると、米国で栽培されるトウモロコシのすべてをエタノール製造に使用すれば、現在の米国のガソリン消費量の12%を代替できるという。[ 84 ]エタノール生産のための土地は森林伐採によって取得されているという主張がある一方で、現在森林が存在している地域は通常、作物の栽培に適していないという指摘もある。[ 85 ] [ 86 ]いずれにせよ、農業は有機物の減少による土壌肥沃度の低下、[ 87 ]水の利用可能性と水質の低下、農薬と肥料の使用量の増加、そして地域社会の潜在的な混乱を伴う可能性がある。[ 88 ]新たな技術により、農家と加工業者はより少ない投入量で同じ生産量をますます増やすことが可能となっている。[ 84 ]

セルロース系エタノール生産は、土地利用やそれに関連する懸念を軽減する可能性のある新しいアプローチです。セルロース系エタノールはあらゆる植物材料から生産でき、収量を倍増させる可能性があり、食料需要と燃料需要の対立を最小限に抑える取り組みとなっています。小麦などの作物を粉砕する際に生じるデンプン質の副産物のみを利用するのではなく、セルロース系エタノール生産ではグルテンを含むあらゆる植物材料を最大限に活用します。このアプローチでは、エネルギー集約型の肥料や殺菌剤の使用量を抑えながら、利用可能な材料の生産量を増やすことができるため、二酸化炭素排出量を削減できます。セルロース系エタノール生産技術は現在、商業化段階にあります。[ 89 ] [ 23 ]

エタノールの代わりにバイオマスを電力に利用する

2009年5月にサイエンス誌に掲載された分析によると、バイオマスを電気に変換して電気自動車を充電することは、バイオマスを使ってエタノール燃料を生産するよりも「気候に優しい」輸送オプションになる可能性がある。[ 90 ]研究者たちは、セルロース系エタノールと先進的な自動車用バッテリーの両方において、より費用対効果の高い開発を模索し続けている。[ 91 ]

エタノール排出による健康被害

米国で生産・燃焼されるエタノール換算10億ガロンの燃料ごとに、気候変動と健康への総合的なコストは、 ガソリンの場合は4億6,​​900万ドル、 トウモロコシエタノールの場合はバイオリファイナリーの熱源（天然ガス、トウモロコシの茎葉、石炭）と技術に応じて4億7,200万ドル～9億5,200万ドルであるのに対し、 セルロースエタノールの場合は原料（草原バイオマス、ミスカンサス、トウモロコシの茎葉、スイッチグラス）に応じて1億2,300万ドル～2億800万ドルにとどまる。[ 92 ]

一般的な作物の効率

エタノール収量の向上や新たな原料の導入が進むにつれ、米国におけるエタノール生産はより経済的に実現可能となる可能性がある。現在、バイオテクノロジーを用いてトウモロコシ1単位あたりのエタノール収量を向上させる研究が進められている。また、原油価格が高止まりする限り、セルロースなどの他の原料の経済的な利用も可能となる。わらや木片などの副産物はエタノールに変換することができる。スイッチグラスのような成長の早い植物は、他の換金作物に適さない土地でも栽培でき、単位面積あたりのエタノール収量が高い。[ 70 ]

作物 年間収穫量（リットル/ヘクタール、米ガロン/エーカー） 温室効果ガス削減量とガソリン価格の比較[a]耐寒性

ゾーン制限

熱い

耐寒性ゾーンの限界

コメント
サトウキビ6800 ～ 8000 L/ha、[ 39 ] [ 93 ] [ 94 ] [ 95 ] 727 ～ 870 ガロン/エーカー 87%～96% 9 13 [ 96 ] [ 97 ]長期生育可能な一年草。ブラジルで生産されるバイオエタノールのほとんどの原料として利用されている。新しい処理工場では、エタノールに利用されなかった残留物を燃焼させて発電している。熱帯および亜熱帯気候でのみ生育する。
ミスカンサス7300 L/ha、780 gal/acre 37%～73% 5 9 [ 98 ]投入量の少ない多年生草本。エタノール生産はセルロース技術の発展に依存している。
スイッチグラス3100 ～ 7600 L/ha、330 ～ 810 ガロン/エーカー 37%～73% 5 9 [ 99 ]低投入の多年生草本。エタノール生産はセルロース技術の開発に依存しています。収量向上のための育種が進行中です。多年生草本を混合することで、より高いバイオマス生産が可能です。
ポプラ3700 ～ 6000 L/ha、400 ～ 640 ガロン/エーカー 51%～100% 3 9 [ 100 ]成長の早い樹木。エタノール生産はセルロース技術の発展に大きく依存している。ゲノム配列解析プロジェクトの完了は、収量増加に向けた育種努力を促進するだろう。
スイートソルガム2500 ～ 7000 L/ha、270 ～ 750 ガロン/エーカー データなし 9 12 [ 101 ]低投入型の一年草。既存の技術を用いてエタノール生産が可能。熱帯気候と温帯気候で​​生育するが、エタノール収量を最大限に高めるには、年間複数回の収穫（熱帯気候でのみ可能）を前提としている。貯蔵性は低い。[ 102 ] [ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]
トウモロコシ3100 ～ 4000 L/ha、[ 39 ] [ 93 ] [ 94 ] [ 95 ] 330 ～ 424 ガロン/エーカー 10%～20% 4 8 [ 106 ]投入量の多い一年草。米国で生産されるバイオエタノールの大部分は、このイネ科植物の原料として利用されています。既存の技術では穀粒のみが加工可能ですが、商業的なセルロース技術の開発により、茎葉も利用できるようになるため、エタノール収量は1ヘクタールあたり1,100～2,000リットル増加します。
テンサイ6678-8419 L/ha、

714～900ガロン/エーカー[ 107 ] [ 108 ]

データなし 2 10 フランスではエタノール作物として栽培されています。
キャッサバ3835 L/ha、

410ガロン/エーカー[ 107 ]

データなし 10 13 ナイジェリアではエタノール作物として栽培されています。
小麦2591 L/ha、

277ガロン/エーカー[ 107 ]

データなし 3 [ 109 ]12 [ 110 ]フランスではエタノール作物として栽培されています。
出典（特に明記されているものを除く）：Nature 444（2006年12月7日）：673–676。[a] –土地利用の変化がないと仮定した場合の温室効果ガス排出量の削減量（既存の農地を使用）。

石油輸入とコストの削減

米国でエタノール生産が大規模に行われている理由の 1 つは、外国で生産される石油の必要性の一部を国内で生産されるエネルギー源に移行することによる、エネルギー安全保障上の利点である。 [ 111 ] [ 112 ]エタノールの生産には大量のエネルギーが必要であるが、現在の米国の生産では、そのエネルギーのほとんどを石油ではなく、石炭、天然ガス、その他のエネルギー源から得ている。[ 113 ]米国で消費される石油の 66% は輸入されているのに対し、石炭は純余剰、天然ガスはわずか 16% (2006 年の数字) であるため、[ 114 ]石油ベースの燃料をエタノールに置き換えると、米国のエネルギー源は外国から国内へと純シフトすることになる。

米国のエタノール生産により、ガソリン小売価格は、そうでなければそうであったであろう価格よりも1ガロンあたり0.29ドルから0.40ドル低くなっている（2008年のデータ）。[ 115 ]

アプリケーションとプロジェクト

モータースポーツ

エタノール燃料はモータースポーツにおいてますます重要な役割を果たしています。

  • レオン・デュレイは、1927年のインディアナポリス500オートレースでエタノール燃料車で3位に入賞した。 [ 116 ]インディカー・シリーズは、2006年シーズンに10％のエタノール混合燃料を採用し、2007年には98％の混合燃料を採用した。
  • アメリカン・ル・マン・シリーズ・スポーツカー選手権は、2007年シーズンに純ガソリンに代わる燃料としてE10を導入した。2008年シーズンにはGTクラスでE85の使用が許可され、各チームはE85への切り替えを開始した。[ 117 ]
  • 2011年、全米3大NASCARストックカーシリーズはガソリンからE15（スノコGTX無鉛レーシング燃料と15%エタノールの混合物）への切り替えを義務付けました。[ 118 ]

オーストラリアのV8スーパーカー選手権では、レース燃料としてシェルE85が使用されており、ブラジル・ストックカー選手権では、純エタノールであるE100が使用されています。エタノール燃料はロケット燃料としても使用されることがあります。2010年現在、軽量ロケットレース機には少量のエタノールが使用されています。[ 119 ]

代替調理燃料

プロジェクト・ガイアは、エチオピアをはじめとする発展途上国において、アルコール燃料の商業的に実現可能な家庭用市場の創出に取り組む米国の非政府・非営利団体です。このプロジェクトは、発展途上国における伝統的な調理法によって引き起こされる燃料不足、環境破壊、公衆衛生問題に対する解決策として、アルコール燃料を位置づけています。汚染物質を排出する火での調理による健康問題に直面している貧困層や社会的弱者コミュニティを対象に、ガイアは現在エチオピア、ナイジェリア、ブラジル、ハイチ、マダガスカルで活動しており、さらに他のいくつかの国でもプロジェクトを計画中です。[ 120 ]

市場インセンティブ

持続可能な輸送のためのバイオエタノールは、欧州連合が支援する 4 年間のプロジェクトで、ヨーロッパ、ブラジル、中国の 9 つの地域が参加しました。

研究

サウスダコタ州ターナー郡のエタノール工場

エタノール研究は、代替資源、新規触媒、そして生産プロセスに焦点を当てています。イネオスは植物性物質と木材廃棄物からエタノールを生産しました。[ 121 ]牛のルーメン遺伝子と酵素を用いて遺伝子組み換えされた大腸菌は、トウモロコシの茎葉からエタノールを生産することができます。[ 122 ]その他の原料としては、都市ごみ、リサイクル製品、米ぬか、サトウキビのバガス、木材チップ、スイッチグラス、二酸化炭素などが挙げられます。[ 123 ] [ 124 ]

参考文献

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参照

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