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様々なアルコールが内燃機関の燃料として使用されています。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を持っているため、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。
メタノールは主に天然ガスから生産されますが、非常に類似した化学プロセスを用いてバイオマスからも生産できます。エタノールは一般的に発酵プロセスによって生物材料から生産されます。バイオブタノールは、より単純なアルコールよりもエネルギー密度がガソリンに近い（オクタン価は25%以上高い）ため、燃焼エンジンにおいて有利です。ただし、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場合、それら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。
主要な4種類の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。これにより燃費が向上し、自動車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て）をほぼ相殺するため、1リットルあたりの走行距離や1ガロンあたりの走行距離といった指標で比較した場合、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得ることができます。エタノールはこれまで糖の発酵によって最も一般的に生産されてきましたが、メタノールは合成ガスから最も一般的に生産されてきましたが、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することもできます。メタノールはより単純な分子であり、メタノールからエタノールを作ることができます。メタノールは、動物の廃棄物を含むほぼすべてのバイオマスから、または二酸化炭素と水または蒸気から、まずガス化装置でバイオマスを合成ガスに変換することによって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産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、それぞれ長所と短所があります。火花点火エンジンでは、どちらのアルコールも、排気ガス再循環率と圧縮比をはるかに高くすることができます。どちらのアルコールもオクタン価が高く、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 ]なお、AKI は「アンチノック指数」の略で、RON と MON の平均値 (RON+MON)/2 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ます。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。圧縮着火エンジンの燃料として、これらのアルコールはどちらも微粒子の発生が非常に少ないが、セタン価が低いため、グリコールなどの着火促進剤を燃料に約5％混合する必要がある。
火花点火エンジンで使用されるアルコールは、 NOx、CO、HC 、および粒子状物質を削減する可能性を秘めています。E85燃料を使用したシボレー・ルミナのテストでは、改質ガソリンと比較してNMHC [ 3 ]が20～22%、NOxが25～32%、COが12～24%減少したことが示されました。[ 4 ]ベンゼンと1,3-ブタジエンの有毒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は炭素と水素の比率が低いため、排気管からの二酸化炭素排出量も減少し、エンジンの効率も向上する。
メタノールと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 つの方法で腐食を増加させます。1 つは、いくつかの金属上の不動態酸化皮膜を化学的に攻撃して孔食を引き起こし、もう 1 つは燃料の導電率を増加させます。電気伝導率の増加は、燃料システム内の電気腐食、ガルバニック腐食、および通常の腐食を促進します。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保持型の磁気抵抗式またはその他の同様の非接触式でなければなりません。さらに、高品質のアルコールは不純物の濃度が低く、適切な腐食抑制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抑制剤であることを明らかにしています。[ 6 ]
実験は、より攻撃的で腐食効果を加速させる E50 で行われました。燃料エタノール中の水の量を増やすことで腐食を減らせることは明らかです。エタノール燃料中の水が 2% または 20,000 ppm になると腐食は停止しました。日本の観察結果と一致して、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。反応機構は、低～中程度の混合比では 3 EtOH + Al -> Al(OEt) 3 + 3 ⁄ 2 H 2です。燃料中に十分な水が存在すると、アルミニウムは優先的に水と反応して 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しないため、酸化物層の穴を修復するには水が不可欠です。
メタノールとエタノールは、一部のポリマーと相性が悪い。アルコールはポリマーと反応して膨潤を引き起こし、時間の経過とともに酸素がポリマー中の炭素-炭素結合を分解し、引張強度を低下させる。しかし、ここ数十年、ほとんどの自動車は最大10%のエタノール（E10）を問題なく使用できるように設計されている。これには、燃料システムの互換性と、クローズド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の両方が含まれる。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製の燃料供給部品の組成を劣化させ、燃料のラムダ補正を適切に行えなくなる可能性がある。
「フレックス燃料」車両は、E85またはM85を使用して長寿命を実現するように設計された燃料システムとエンジンコンポーネントがアップグレードされており、ECUはガソリンとE85またはM85のあらゆる燃料混合比に対応できます。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、吸気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」車両は、E100（100%エタノール）を使用できます。
エタノール1リットルは燃焼時に21.1MJ、メタノール1リットルは15.8MJ、ガソリン1リットルは約32.6MJのエネルギーを放出します。つまり、ガソリン1リットルまたは1ガロンと同じエネルギー量を得るには、エタノール1.6リットル/ガロン、メタノール2.1リットル/ガロンが必要になります。しかし、体積あたりのエネルギー量だけでは燃料消費量の数値は誤解を招く可能性があります。なぜなら、アルコール燃料エンジンは大幅にエネルギー効率を高めることができるからです。アルコール燃料1リットルの燃焼によって放出されるエネルギーのうち、より多くの割合を有効な仕事に変換できます。この効率の差は、比較対象となる特定のエンジンによっては、エネルギー密度の差を部分的または完全に相殺することができます。
メタノール燃料は、将来のバイオ燃料として、しばしば水素経済の代替として提案されています。メタノールは、レーシング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、混合燃料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。しかし、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製造されたメタノールに基づいており、そのため、このメタノールはバイオ燃料とはみなされません。ただし、合成ガスがバイオマス由来の場合は、メタノールはバイオ燃料となる可能性があります。
理論的には、メタノールは持続可能な方法で調達されたバイオマス、そして最終的には二酸化炭素から、また原子力発電、地熱発電、またはその他の再生可能エネルギー源を用いた水素電解によっても生産できる（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、生産から走行までの効率がはるかに高いことである。これは、エタノールを生産するために砂糖やデンプン作物を栽培するのに肥料が必要な温帯気候において特に重要である。一方、メタノールは肥料を与えていないリグノセルロース（木質）バイオマスから生産できる。
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る。メタノールと比較すると、主な利点は腐食性が低く無毒であることだ。ただし、この燃料は有毒な排気ガスを発生させる。インディカーは40年間メタノールを使用していたが、2007年以降はエタノールを唯一の燃料として使用している。[ 7 ] 2007年9月以降、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%のエタノールを添加することが義務付けられている。[ 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かなり低い。特にブタノールは引火点が35 ℃と高く、防火面では有利だが、寒冷地でのエンジン始動には不向きな場合がある。ただし、シリンダー内の空気が圧縮されるため、着火前に温度が数百℃に達することから、引火点の概念はエンジンに直接適用できるものではない。
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、実行するのがかなり難しく、現在これらの変換を行うために使用されているワイツマン微生物（Clostridium acetobutylicum）は非常に不快な臭いを発生させます。これは、発酵プラントの設計と場所の決定時に考慮する必要があります。この微生物は、発酵中のブタノール含有量が2%に達すると死滅します。[ 9 ]比較のために、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、科学者はいつか、7%という自然な限界を超えるブタノール耐性を持つワイツマン微生物の株を作り出すことができるかもしれません。これは、ブタノールがエタノールよりも燃焼エネルギー密度が高いこと、そしてエタノール製造に使われる砂糖作物から出る廃棄繊維をブタノールに加工することで、新たな作物を植えることなく燃料作物のアルコール収率を高めることができるため、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プラントに加えて、小規模なブタノール燃料実証プラント[ 11 ]を共同で建設すると発表した。
エナジー・エンバイロメント・インターナショナル社は、バイオマスからブタノールを生産する方法を開発した。この方法では、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ために、2つの異なる微生物を順次使用する。[ 12 ]
スイスのButalco GmbH社は、エタノールの代わりにブタノールを生産するために酵母を改変する特殊な技術を使用しています。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ります。[ 13 ]
ブタノールの燃焼：C₄H₉OH + 6O₂ → 4CO₂ + 5H₂O +熱
プロパノールの燃焼：2C₃H₇OH + 9O₂ → 6CO₂ + 8H₂O +熱
炭素数3のアルコールであるプロパノール（C₃H₇OH ）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われず、ほとんどが溶剤として利用されています。しかし、一部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系燃料電池で主流となってい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製造が難しいため（生物学的または石油由来）、プロパノールを利用する燃料電池よりもメタノールを利用する燃料電池の方が好まれています。
ブラジルはつい最近まで、世界最大のアルコール燃料生産国であり、主にサトウキビからエタノールを発酵させて生産していた。
同国は年間合計180億リットル（48億ガロン）を生産しており、そのうち35億リットルが輸出され、20億リットルが米国向けである[ 15 ] 。アルコール自動車は1979年にブラジル市場に登場し、多額の補助金のおかげで非常に人気になったが、1980年代には価格が上昇し、ガソリンが再び市場シェアの主導権を握った[ 16 ] 。
しかし、2003 年以降、フレキシブル燃料エンジンに関する新技術により、アルコールは再び急速に市場シェアを拡大しました。 [ 17 ]フレキシブル燃料エンジンは、すべての主要自動車メーカー (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)によって「Flex」または「Total Flex」と呼ばれています。「Flex」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車です。[ 18 ]
ブラジルの生産と技術が優れているため、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、米国大統領ジョージ・W・ブッシュはサンパウロ市を訪問し、ブラジル大統領ルイス・イナシオ・ルーラ・ダ・シルバと、代替燃料としてのアルコールとその技術の輸入に関する協定に署名した。[ 19 ]
中国は早くも1935年にはアルコール燃料自動車を製造していた。[ 20 ]中国は従来のガソリンに70％のメタノールを使用することで原油からの独立を達成したと報告している。
クリーン自動車計画・行動調整国家委員会は、アルコール／エーテル燃料と加速工業化に関連する主要技術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り、そのうち2つはアルコール（メタノールとエタノール）であった。[ 21 ]
2007年末時点で、米国では年間269億リットル（70億ガロン）のエタノールが生産されていた。[ 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、特にトウモロコシ由来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おいて、ガソリン燃料に10％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、大気汚染を軽減し、これらの地域が連邦政府の大気汚染規制を遵守できるようにするためです。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大気汚染物質の排出量が少なくなります。一部の地域（特にカリフォルニア州）では、大気汚染を軽減する他の配合や添加化学物質の使用も規制で義務付けられている場合があり、燃料の流通が複雑化し、燃料コストが上昇します。
日本初のアルコール燃料は、1999年に登場したGAIAXである。GAIAXは韓国で開発され、日本に輸入された。主成分はメタノールだった。
GAIAXはガソリンではないため、日本のガソリン税の非課税対象であった。しかし、その結果、GAIAXの使用は日本政府および石油業界から密輸行為とみなされるようになった。GAIAXの小売販売は、脱税の批判を避けるため、法制度上の規定に従ってディーゼル燃料税を別途納付することで行われた。
GAIAXを給油した車両で火災が発生したという報告が、脱税問題がほぼ終結した2000年頃から出始めた。日本の自動車業界はGAIAXを批判し、「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」と主張した。GAIAXは「高濃度アルコール燃料」と名付けられ、長期的に市場から排除するためのキャンペーンが展開された。最終的に経済産業省もこのキャンペーンに加わった。[ 26 ]
2003年、安全上の懸念を口実にガソリンの品質基準が改正された。これにより、「高濃度アルコール燃料」の製造・販売が禁止され、GAIAXの販売も大幅に制限された。この法改正により、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じられた。この法改正は、日本国内でE3を超えるアルコール燃料を販売できない根拠となっている。
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る。しかし、GAIAXを市場から排除している現行法によって、新たな燃料の商業生産・販売が阻害される可能性がある。さらに、日本の消費者があらゆる種類の高濃度アルコール燃料に対して強い抵抗感を持っていることも、新たな燃料の商業的成功を阻む要因となるだろう。
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