这篇小论文是我大二上“清洁能源技术”通识课的时候写的，感觉收集了挺多资料可能有点实际意义吧，纠结了很久还是发出来好了，反正是自己的博客……
水平有限，不是这个专业，而且也只是收集网上的资料进行整理，并没有实际技术含量，没正式发表（<--不可能正式发表的吧！）作者没脸写上了。
其他还有一些写论文时收集的资料，pre时做的ppt、讲稿，我都一并上传好了，可以在这里查看 https://www.leaf-machinary.space/uploads/bioethanol/。比较乱，很多东西我自己都不知道是干嘛的了

生物乙醇成本与碳排放

摘要：生物乙醇是生物质能的一种，自20世纪以来发展迅速，主要目的之一是减少对石油的依赖，其次是减少碳排放和空气污染。然而，制备生物乙醇的当前主要方法是通过粮食作物发酵制得，不免和粮食市场有所冲突，引发了人们对生物乙醇的质疑。本文研究了生物乙醇的成本和碳排放收益，发现和汽油相比，乙醇的经济效益并不乐观，仅在农业条件极好的巴西才能做到完全超过。在碳排放上，乙醇尾气中的碳含量也没有显著区别。然而因为生物乙醇中的碳本就来源于大气，因此全生命周期碳排放显著下降，只有汽油的20%甚至更低。
关键词：生物乙醇；碳排放；燃油；成本；生物质能

1、生物乙醇简介

生物质能是指通过直接或间接地利用生物体和其产生的物质所获取的能源。生物质能离我们并不是很遥远，自古以来，人类就开始利用这种能源了，也就是烧柴取火。这依赖于生物质能的特性，即原料分布广、易于获取、可再生。科技进步后，利用生物质能的方式有了进步，如秸秆焚烧热电联供、发酵生产沼气、发酵和热解制备生物燃油等[1]。

生物乙醇是指使用生物质来生产乙醇，可以利用的生物质包括粮食作物中的淀粉、甘蔗的蔗糖和秸秆中的纤维素[2]。乙醇作为一种基本原料，不仅可以提纯用在传统化工行业中，也可以作为可再生燃油、清洁燃油使用。2016年，全球用在交通中的能源比例占了所有能源的32%。而在这部分燃油形式的能源中，化石燃油占了88%[3]。如果能用乙醇代替这一部分化石燃油，可以大幅度减少对石油的依赖，巴西就是因石油危机而开展乙醇计划。除此之外乙醇中的氧可以促进充分燃烧，减少碳排放和气体污染，包括一氧化碳、铅化合物、氮氧化合物等。

乙醇作为燃油的应用分为两种，低比例乙醇混合汽油和高比例及纯乙醇燃油。混合的乙醇的体积分数即为汽油的牌号，如E15就是指体积分数15%乙醇和85%汽油。低比例混合是指小于E15，此时一般汽油车不需要改造发动机也可以使用，性能比汽油略低。虽然乙醇热值27MJ/kg比汽油43MJ/kg低，但乙醇能提高燃油的辛烷值，减少震爆，提高发动机效率。普通汽油研究法辛烷值（RON）为90，纯乙醇为109，两者混合后E10为95左右[4]；其次乙醇含氧，能更充分燃烧；高比例E85，E100乙醇燃油主要出现在巴西，汽车经过特殊的改造以适应乙醇燃油。

近年来生物质乙醇的生产情况如下。2016年中国生物乙醇产量248.3万吨，巴西2180.6万吨，美国4475.4万吨[5]。巴西由于受70年代石油危机影响，加上自身农业气候条件优越、甘蔗产量高，因此水平非常发达，全国加油站达到了惊人的100%乙醇汽油覆盖率，而且基本都是混合燃料汽车，并且有许多纯乙醇汽车[6]；美国科技水平高，农业水平也高，同时也希望减少石油依赖度，因此发展水平较高。

目前（2019）生物乙醇基本都是粮食作物生产的，包括甘蔗、玉米、甜菜等等。美国玉米乙醇制备方法主要为干磨法(dry-mill) [7]，和制酒类似，磨碎、加淀粉酶、煮熟、加酵母、分离。副产品滤渣可以作饲料、CO2也在工业中有所应用。巴西甘蔗乙醇有较大不同，不需要淀粉酶。甘蔗切碎研磨、精炼产糖，制糖业的副产品糖水用来发酵生产乙醇，甘蔗渣用来燃烧发电。因此巴西的生产模式得以十分高效。

近年来，植物纤维素制乙醇即第二代生物乙醇逐渐投产，但效果不佳[8]。除此之外还提出了第三代、第四代生物乙醇的概念，包括垃圾热解制油、海藻制油等等[9]。由于涉及到许多酶、微生物等多种生物协作，这些方法都有着很大的技术难题。

2、生物乙醇的制造成本

成本主要包括种植、化工、运输等。种植成本具体包括土地使用、农民劳动和肥料使用。生产线中一些副产品可以减少成本，如甘蔗渣发电、玉米渣作饲料等。综合考虑所有因素，可以获得乙醇燃料的能量平衡值（energy balance），即投入能量与获取的能量之比。2007年的数据显示，美国的玉米乙醇为1.3，巴西的甘蔗乙醇为8[10]。可见在能量上还是勉强有所收益的。考虑到设备成本后和其他后，可能需要长时间运行才能获利。

在燃油定价上，巴西的汽油为4.5R$/L，纯乙醇为3R$/L（2020年1月），即E100油价仅0.73$/L或5元/升[11]。考虑到乙醇和汽油的热值比，价格和效益均和汽油旗鼓相当。对于美国乙醇燃油，价格则略高一些，需要政府进行补贴支持。

3、气体排放计算

气体排放主要有两个部分，一是生产阶段，二是使用阶段。
汽油的生产路线为：石油开采->原油运输->石油化工->运输到加油站，乙醇的生产路线中则多了种植植物一步。基于以上考虑，统计整个生产中的各项数据是比较困难的。但是已经有许多研究提出了一些全生命周期评估LCA(Life Cycle Assesment) 的模型。

3.1 汽油碳排放

根据“汽柴油全生命周期碳排放计算[12]”中的LCA模型得到1t汽油的CO2排放量的数据如下：
生产阶段（WTT）开采171kg，原油运输91kg，化工400kg，油品运输10kg，总碳排放约700kg/t。根据汽油的密度为750kg/m3，合525g/L。
使用阶段（TTW）百公里油耗8L/100km，碳排放184g/km。即2300gCO2/L。由汽油热值43MJ/kg和密度， 1l汽油=0.75kg汽油=32.25MJ，得使用阶段碳排放为71.3gCO2/L。
综上，汽油的全生命周期碳排放为525+2300=2825g/L或87.6gCO2/MJ。同时可以发现生产阶段的碳排放525g/L是使用阶段2300g/L的23%，基本上可以忽略。

3.2 乙醇碳排放

在生物乙醇的温室气体排放研究上，存在GREET,GHGenius,BioGrace,VSB等模型[13]。得出的碳排放(g CO2/MJ)为：巴西甘蔗乙醇为15~30，美国玉米乙醇为40~60。由乙醇热值27MJ/kg和乙醇密度789g/l得，1g/MJ =27g/kg乙醇=21g/L乙醇。那么巴西的甘蔗乙醇为400g CO2/L，美国的玉米乙醇为900g CO2/L。以上数值已经包括了生产的各个部分和汽车使用，其中使用部分都不超过3gCO2/MJ。然而如果考虑理论上乙醇燃烧得化学方程式计算，46kg乙醇产生88kgCO2，释放1242MJ能量，即71gCO2/MJ，和汽油使用阶段71.3gCO2/MJ基本相等，这是因为乙醇的热值低于汽油造成的，放出同样得能量需要更多得乙醇。显然结论中没有考虑这部分碳，原因是这些碳是植物进行光合作用获取的，而汽油是开采出来的。因此可以得出结论，选用纯乙醇作燃料理论上在开车使用阶段碳排放是没有很大区别的。

3.3 其他气体排放

此外，乙醇燃油因为燃烧更充分的原因，在其他一些气体污染排放中低于汽油。据我国国家能源局称，E10乙醇燃油与普通国五92#汽油相比，一氧化碳降低1.8%，HC降低了12.9%，CO2降低了2.4%，此外也能减少PM2.5排放[14]。而巴西E100的乙醇汽车中，一氧化碳降低20-30%，二氧化碳降低25%，以及一些铅化合物、碳氢化合物、氮氧化合物均有减少[15]。

4结论

生物乙醇作为燃油的使用，最主要的目的是减少对石油的依赖，其次也有减少二氧化碳和气体污染物排放的作用。如果只考虑汽车使用过程中的碳排放，则乙醇和汽油的碳排放大致相等，均为71gCO2/L。在生产和化工过程中的碳排放只占总碳排放的约20%，而正是因为生物乙醇的碳本身就来源于植物光合作用，并不像化石燃料一样从地里开采出来重新参加大气循环，因此乙醇的碳排放远远少于汽油。在经济效益上，乙醇汽油受限于生产条件，可能和汽油持平，也可能略高。

因此在我国大力推广E10混合燃油时，许多车主不免会有动力少了、跑不远了，油钱还是和原来差不多的抵抗想法。在这一问题上，还需要多加努力，降低生物乙醇的成本，使之变为又经济、又环保的能源。

参考文献
[1] Hameed, S., et al. (2019). "A review on biomass pyrolysis models: Kinetic, network and mechanistic models." Biomass and Bioenergy 123: 104-122.
[2] Madadi M1,2* and Abbas A2,"Lignin Degradation by Fungal Pretreatment: A Review"
[3] REN21, "Renewables 2019 Global Status Report", p33, https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/gsr_2019_full_report_en.pdf
[4] Hunwartzen, I. (1982). "Modification of CFR Test Engine Unit to Determine Octane Numbers of Pure Alcohols and Gasoline-Alcohol Blends, SAE International."
[5] (EIA)International Energy Statistics, https://www.eia.gov/beta/international/data/browser/#/?pa=000001g&c=000002020000000000000000000000000000000000000002&ct=0&ug=8&tl_id=79-A&vs=~~~~INTL.80-1-BRA-MT.A~~INTL.80-1-CHN-MT.A~~INTL.80-1-USA-MT.A&cy=1998&vo=0&v=T&start=1980&end=2016
[6] 中华人民共和国外交部, "巴西生产酒精燃料和酒精汽车概况及其发展经验", https://www.fmprc.gov.cn/web/ziliao_674904/zt_674979/ywzt_675099/wzzt_675579/jjywj_675649/t142155.shtml
[7] https://ethanolrfa.org/how-ethanol-is-made/
[8] 程序.国内外生物合成燃油和生物乙醇产业发展现状及趋势[J].中外能源,2015,20(09):23-34.
[9] Menegazzo, M. L. and G. G. Fonseca (2019). "Biomass recovery and lipid extraction processes for microalgae biofuels production: A review." Renewable and Sustainable Energy Reviews 107: 87-107.
[10]“Biofuels: Green Dreams,” National Geographic Magazine, October 2007.
http://ngm.nationalgeographic.com/2007/10/biofuels/biofuels-text
[11] (Anp)Agéncia Nacional do Petróleo, http://preco.anp.gov.br/include/Resumo_Ultimos_Meses_Index.asp
[12] 程冬茹，汽柴油全生命周期碳排放计算, https://www.ixueshu.com/download/79da8b70f0a1bdbaffb420696ee24160318947a18e7f9386.html
[13] Pereira, L. G., et al. (2019). "Comparison of biofuel life-cycle GHG emissions assessment tools: The case studies of ethanol produced from sugarcane, corn, and wheat." Renewable and Sustainable Energy Reviews 110: 1-12.
[14] 同6
[15] 国家能源局， “乙醇汽油不会影响粮食安全”， http://hzj.nea.gov.cn/adminContent/initViewContent.do?pk=4028481a5e73e011015e83b17cba001d