アルコール燃料

内燃機関の燃料として、さまざまなアルコールが使用されています。最初の 4 つの脂肪族アルコール (メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール) は、化学的または生物学的に合成でき、内燃機関で使用できる特性があるため、燃料として注目されています。アルコール燃料の一般的な化学式は、C _n H _2n+1 OHです。

メタノールのほとんどは天然ガスから生産されますが、非常によく似た化学プロセスを使用してバイオマスから生産することもできます。エタノールは、一般的には発酵プロセスを通じて生物材料から生産されます。バイオブタノールは、エネルギー密度が単純なアルコールよりもガソリンに近い（それでも 25% 以上高いオクタン価を維持している）という点で燃焼エンジンで有利ですが、バイオブタノールは、現在、エタノールやメタノールよりも生産が困難です。生物材料や生物学的プロセスから得られるものは、バイオアルコール（例：「バイオエタノール」）と呼ばれます。生物学的に生産されたアルコールと化学的に生産されたアルコールの間には、 化学的な違いはありません。

4 大アルコール燃料に共通する利点の 1 つは、オクタン価が高いことです。これにより、燃料効率が向上し、車両用アルコール燃料のエネルギー密度が低いこと (ガソリンやディーゼル燃料と比較した場合) がほぼ相殺され、その結果、リットルあたりのキロメートル数やガロンあたりのマイル数などの体積あたりの距離の測定基準で同等の「燃費」が得られます。

メタノールとエタノールは、どちらも化石燃料、バイオマス、または二酸化炭素と水から生成できます。エタノールは糖の発酵によって最も一般的に生産され、メタノールは合成ガスから最も一般的に生産されていますが、これらの燃料を得るためのより現代的な方法があります。発酵の代わりに酵素を使用できます。メタノールはより単純な分子であり、エタノールはメタノールから作ることができます。メタノールは、動物の排泄物を含むほぼすべてのバイオマスから、または最初にバイオマスをガス化装置で合成ガスに変換することにより、二酸化炭素と水または蒸気から工業的に生産できます。また、電気分解または酵素を使用して実験室で生成することもできます。^[1]

燃料として、メタノールとエタノールは、ガソリンやディーゼル燃料などの燃料に比べて、どちらも利点と欠点があります。火花点火エンジンでは、両方のアルコールは、はるかに高い排気ガス再循環率と高い圧縮比で動作できます。両方のアルコールは高オクタン価であり、エタノールは109 RON（リサーチオクタン価）、90 MON（モーターオクタン価）（99.5 AKIに相当）、メタノールは109 RON、89 MON（99 AKIに相当）です。^{[2] AKIは「}アンチノックインデックス」を指し、RONとMONの評価（RON+MON）/2の平均であり、米国のガソリンスタンドのポンプで使用されていることに注意してください。一般的なヨーロッパのガソリンは通常、95 RON、85 MONで、90 AKIに相当します。圧縮点火エンジン燃料として、両方のアルコールは微粒子をほとんど生成しませんが、セタン価が低いため、グリコールなどの点火向上剤を燃料に約 5% 混合する必要があります。

アルコールは火花点火エンジンで使用すると、 NOx、CO、HC、微粒子を減らす可能性があります。E85燃料のシボレー ルミナスを使用したテストでは、改質ガソリンと比較して、 NMHC ^[3]が20〜22%、NOxが25〜32%、COが12〜24%減少しました。^[4]ベンゼンと1,3-ブタジエンの有毒な排出量も減少しましたが、アルデヒド排出量（特に アセトアルデヒド）は増加しました。

これらのアルコールの炭素と水素の比率が低くなり、エンジン効率が向上するため、 排気管からの CO2 排出量_{も減少します。}

メタノールおよびエタノール燃料には、可溶性および不溶性の汚染物質が含まれています。^{[5]塩化物イオンなどの可溶性汚染物質である} ハロゲン化物イオンは、アルコール燃料の腐食性に大きな影響を与えます。ハロゲン化物イオンは、2つの方法で腐食を促進します。1つは、いくつかの金属の不動態化酸化膜を化学的に攻撃して孔食腐食を引き起こし、もう1つは燃料の導電性を高めることです。導電性が増加すると、燃料システム内の電気的腐食、ガルバニック腐食、および通常の腐食が促進されます。ハロゲン化物イオンによる腐食の生成物である水酸化アルミニウムなどの可溶性汚染物質は、時間の経過とともに燃料システムを詰まらせます。

腐食を防ぐためには、燃料システムは適切な材料で作られ、電線は適切に絶縁され、燃料レベルセンサーはパルスアンドホールド型、磁気抵抗型、またはその他の同様の非接触型でなければなりません。さらに、高品質のアルコールは汚染物質の濃度が低く、適切な腐食防止剤が添加されている必要があります。科学的証拠は、水がエタノールによる腐食の防止剤であることを示しています。^[6]

実験は、より攻撃的で腐食効果を早める E50 を使用して行われます。燃料エタノール内の水の量を増やすと腐食を軽減できることは明らかです。エタノール燃料内の水が 2% または 20,000 ppm になると、腐食は止まりました。日本での観察と一致して、含水エタノールは無水エタノールよりも腐食性が低いことが知られています。反応メカニズムは、低中濃度ブレンドでは 3 EtOH + Al -> Al(OEt) ₃ + 3 ⁄ 2 H ₂です。燃料に十分な水が存在する場合、アルミニウムは水と反応して Al ₂ O _{3 を}生成し、保護アルミニウム酸化物層を修復します。アルミニウムアルコキシドは密な酸化物層を形成せず、水は酸化物層の穴を修復するために不可欠です。

メタノールとエタノールは、一部のポリマーと互換性がありません。アルコールはポリマーと反応して膨張を引き起こし、時間が経つと酸素がポリマー内の炭素-炭素結合を分解して引張強度を低下させます。しかし、過去数十年間、ほとんどの車は問題なく 10% までのエタノール (E10) に耐えられるように設計されています。これには、燃料システムの互換性と、閉ループ ラムダ制御を備えた燃料噴射エンジンによる燃料供給のラムダ補正^{[明確化が必要]}の両方が含まれます。一部のエンジンでは、エタノールが従来のガソリン用に設計されたプラスチックまたはゴムの燃料供給コンポーネントの一部を劣化させ、燃料を適切にラムダ補正できない場合があります。^{[引用が必要]}

「フレックス燃料」車は、E85 または M85 を使用した長寿命設計の燃料システムとエンジン部品をアップグレードしており、ECU はガソリンと E85 または M85 のあらゆる燃料混合に適応できます。一般的なアップグレードには、燃料タンク、燃料タンクの電気配線、燃料ポンプ、燃料フィルター、燃料ライン、フィラー チューブ、燃料レベル センサー、燃料インジェクター、シール、燃料レール、燃料圧力レギュレーター、バルブ シート、および入口バルブの変更が含まれます。ブラジル市場向けの「トータル フレックス」自動車は、E100 (100% エタノール) を使用できます。^{[引用が必要]}

1 リットルのエタノールは燃焼時に 21.1 MJ、1 リットルのメタノールは 15.8 MJ、1 リットルのガソリンは約 32.6 MJ を放出します。言い換えると、1 リットルまたは 1 ガロンのガソリンと同じエネルギー含有量を得るには、1.6 リットル/ガロンのエタノールと 2.1 リットル/ガロンのメタノールが必要です。ただし、生の体積あたりのエネルギー数値は誤解を招く燃料消費数値を生み出します。これは、アルコール燃料エンジンは大幅にエネルギー効率を向上できるためです。1 リットルのアルコール燃料の燃焼によって放出されるエネルギーの大部分を有用な仕事に変換できます。この効率の差は、比較する特定のエンジンに応じて、エネルギー密度の差を部分的にまたは完全に相殺することができます^[要出典]。

メタノール燃料は将来のバイオ燃料として提案されており、多くの場合、水素経済の代替として提案されています。メタノールはレース燃料として長い歴史があります。初期のグランプリレースでは、純粋なメタノールだけでなく混合混合物も使用されていました。この燃料は戦後、主に北米で使用されました。^{[説明が必要]ただし、レース用のメタノールは主に天然ガス由来の合成}ガスから生成されたメタノールに基づいているため、このメタノールはバイオ燃料とは見なされません。ただし、合成ガスがバイオマス由来である場合、メタノールはバイオ燃料になる可能性があります。

理論上は、持続可能な方法で調達されたバイオマスと最終的には二酸化炭素から、また原子力、地熱、またはその他の再生可能エネルギー源を使用した水素電気分解によってメタノールを生産することもできます ( Carbon Recycling Internationalを参照)。バイオエタノールと比較した場合、メタノールバイオ燃料の主な利点は、油井から車輪までの効率がはるかに高いことです。これは、エタノールを製造するために砂糖やデンプン作物を栽培するために肥料が必要な温帯気候に特に当てはまりますが、メタノールは肥料を使わないリグノセルロース(木質) バイオマスから生産できます。

エタノールはすでに燃料添加剤として広く使用されており、エタノール燃料単独またはガソリンとの混合燃料としての使用が増加しています。メタノールと比較すると、エタノール燃料の主な利点は腐食性が低く無毒であることです。ただし、この燃料は有毒な排気ガスをいくらか生成します。インディレーシングリーグは、 40年間メタノールを使用してきましたが、2007年以来、エタノールを唯一の燃料として使用しています。^[7] 2007年9月以来、オーストラリアのニューサウスウェールズ州のガソリンスタンドは、すべてのガソリンに2％のエタノール含有量を供給することを義務付けられています^[8]

プロパノールとブタノールは、メタノールに比べて毒性と揮発性が大幅に低いです。特にブタノールは引火点が 35 °C と高く、火災安全性には有利ですが、寒い天候ではエンジンを始動するのが難しくなる場合があります。ただし、シリンダー内の空気の圧縮により、点火前に温度が数百℃になるため、引火点の概念はエンジンに直接適用できません。

セルロースからプロパノールとブタノールを生成する発酵プロセスは実行がかなり難しく、これらの変換を実行するために現在使用されているワイツマン菌（クロストリジウム・アセトブチリカム）は非常に不快な臭いを発するため、発酵プラントの設計と配置ではこれを考慮する必要があります。この菌は、発酵しているもののブタノール含有量が2％に上昇すると死滅します。^[9]比較すると、酵母は原料のエタノール含有量が14％に達すると死滅します。特殊な株はさらに高いエタノール濃度に耐えることができ、いわゆるターボ酵母は最大16％のエタノールに耐えることができます。^[10] しかし、通常のサッカロミセス酵母を改変してエタノール耐性を向上させることができれば、科学者はいつの日か、ワイツマン菌の株を、自然の限界である7％よりも高いブタノール耐性で作り出すことができるかもしれません。ブタノールはエタノールよりも燃焼エネルギー密度が高く、エタノール製造に使用された砂糖作物から残った廃棄繊維をブタノールにすることができるため、より多くの作物を植えることなく燃料作物のアルコール収量を増やすことができるため、これは有用である。

これらの欠点にもかかわらず、デュポンとBPは最近、アソシエイテッド・ブリティッシュ・フーズと共同開発している大規模なバイオエタノール工場と並行して、小規模なブタノール燃料実証工場^[11]を共同で建設 すると発表した。

エネルギー環境インターナショナル社は、2つの別々の微生物を順番に使用することでアセトンとエタノールの副産物の生成を最小限に抑えるバイオマスからブタノールを生産する方法を開発した。 ^[12]

スイスのButalco GmbH社は、特殊な技術を使って酵母を改良し、エタノールの代わりにブタノールを生産している。ブタノールの生産生物としての酵母は、細菌に比べて決定的な利点がある。^[13]

ブタノール燃焼: C ₄ H ₉ OH + 6O ₂ → 4CO ₂ + 5H ₂ O + 熱

プロパノールの燃焼: 2C ₃ H ₇ OH + 9O ₂ → 6 CO ₂ + 8H ₂ O + 熱

3 炭素アルコールであるプロパノール (C ₃ H ₇ OH) は、エタノール、メタノール、ブタノールとは異なり、ガソリン エンジンの直接燃料源としてはあまり使用されず、ほとんどが溶剤として使用されます。ただし、一部のタイプの燃料電池では水素源として使用され、ほとんどのアルコール ベースの燃料電池で選択される燃料であるメタノールよりも高い電圧を生成できます。ただし、プロパノールはメタノールよりも生成が難しいため (生物学的または石油から)、メタノールを使用する燃料電池の方がプロパノールを使用する燃料電池よりも好まれます。

ブラジルは最近まで、主にサトウキビからエタノールを発酵させるアルコール燃料の世界最大の生産国でした。

同国は年間合計180億リットル（48億ガロン）を生産し、そのうち35億リットルが輸出され、そのうち20億が米国に輸出されている。^[15] アルコール車は1979年にブラジル市場に登場し、多額の補助金により人気を博したが、1980年代に価格が上昇し、ガソリンが再び主要な市場シェアを獲得した。^[16]

しかし、2003年以降、アルコールは再び急速に市場シェアを拡大​​しました。これは、すべての大手自動車メーカー（フォルクスワーゲン、ゼネラルモーターズ、フィアットなど）が「フレックス」または「トータルフレックス」と呼ぶフレックス燃料エンジン^[17]を伴う新技術によるものです。「フレックス」エンジンは、ガソリン、アルコール、または両方の燃料の任意の混合物で動作します。2009年5月現在、ブラジルで販売されている新車の88％以上がフレックス燃料です。^[18]

ブラジルの優れた生産力と技術力により、多くの国がアルコール燃料の輸入と「フレックス」車両コンセプトの採用に強い関心を示した。^{[17] 2007年3月7日、}ジョージ・W・ブッシュ米大統領はサンパウロ市を訪問し、ブラジルのルイス・イナシオ・ルーラ・ダ・シルバ大統領とアルコールとその代替燃料技術の輸入に関する協定に署名した。 ^[19]

中国では1935年にアルコール燃料自動車が製造された。^[20] 中国は従来のガソリンの70%にメタノールを使用することで原油に依存しない燃料を生産していると報告している。

クリーン自動車のための国家計画・行動調整委員会は、アルコール/エーテル燃料に関連する主要技術と工業化の加速を主要議題に挙げていた。アルコール燃料は5つの主要な代替燃料の一部となった。そのうち2つはアルコール、メタノール、エタノールであった^[21]

米国のE85を参照

2007年末の時点で、米国は年間269億リットル（70億ガロン）を生産していた。^[22] E10またはガソホールはデラウェア州で一般的に販売されており、E85は多くの州、特にトウモロコシからのエタノールが地元で生産されている中西部で見られる。

多くの州や自治体では、年間の一部または全期間にわたって、すべてのガソリン燃料に 10 パーセントのアルコール (通常はエタノール) を混合することを義務付けています。これは汚染を減らすためであり、これらの地域が連邦の汚染制限に準拠できるようにします。アルコールは部分的に酸素化されているため、オゾンを含む全体的な汚染が少なくなります。一部の地域 (特にカリフォルニア) では、規制により汚染を減らす他の配合や化学物質の追加も義務付けられる場合がありますが、燃料の配布が複雑になり、燃料のコストが増加します。

日本初のアルコール燃料は1999年のガイアックスから始まりました。ガイアックスは韓国で開発され、日本が輸入したものです。主成分はメタノールです。

GAIAXはガソリンではないため、日本のガソリン税の免税対象となっていました。しかし、その結果、政府や石油業界から日本国内でGAIAXの使用は密輸行為とみなされるようになりました。法制度上の規制で軽油税を独自に納税することで脱税の非難を回避するためにGAIAXの小売りが行われていました。

脱税問題がほぼ終息した2000年頃から、ガイアックスを給油中に起きた車両火災事故が報じられ始めた。日本の自動車業界は「高濃度アルコールが燃料パイプを腐食させたために火災が発生した」とガイアックスを批判した。ガイアックスは「高濃度アルコール燃料」と名付けられ、市場から長期的に排除するキャンペーンが実施された。最終的には経済産業省もこのキャンペーンに加わった。^[26]

2003年に安全性を理由にガソリン品質法が改正され、「高濃度アルコール燃料」の製造・販売が禁止され、GAIAXの販売も実質禁止となりました。法改正により、燃料メーカーはガソリンに3%以上のアルコールを添加することが禁止されました。この法改正により、E3以上のアルコール燃料は日本国内で販売できなくなりました。

日本の石油業界は現在、GAIAXとは異なる独自のアルコール燃料の研究開発を進めています。しかし、GAIAXを市場から排除している現行法によって、新しい燃料の商業的製造と販売が禁止される可能性があります。さらに、日本の消費者はあらゆる種類の高濃度アルコール燃料を強く嫌うため、新しい燃料の商業的成功は妨げられる可能性があります。

ウィキメディア・コモンズには、アルコール燃料に関連するメディアがあります。

• 世界銀行、バイオ燃料：その可能性とリスク。2008年世界開発報告：開発のための農業
• EEREのバイオブタノール。
• http://www.greencarcongress.com/biobutanol/index.html
• https://web.archive.org/web/20080528051420/http://www.エタノール.org/pdf/contentmgmt/2007_Ethanol_Fact_Book.pdf