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エタノール燃料は、トウモロコシ、サトウキビ、その他のバイオマスなどの作物から得られる糖を発酵させて一般的に生産されるアルコール系燃料ですが、石油由来の原料から合成することも可能です。アルコール飲料に含まれるアルコールと同じ種類ですが、化石燃料への依存度を減らし、温室効果ガスの排出量を削減するために、輸送用燃料としてガソリンの代替として、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されることが最も一般的です。世界のエタノール生産はブラジルと米国が圧倒的に多く、両国で供給量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。
エタノールは歴史的に20世紀初頭から燃料として利用されており、ブラジルは1970年代のエネルギー危機時に大規模な導入を先導しました。フレキシブル燃料車の技術進歩と政府の政策により、エタノールの使用は世界的に拡大しています。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、オクタン価が高いため、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、エチレンからの合成エタノールは世界の生産量のごく一部を占めるに過ぎません。
エタノールは再生可能エネルギー源と考えられているが、その生産には環境面および経済面での懸念がある。ブラジルのサトウキビ由来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二酸化炭素排出量も少ない一方、米国のトウモロコシ由来エタノールはそれほど大きなメリットはない。エタノール生産のための大規模栽培は、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る。セルロース系エタノールをはじめとする、持続可能性を高め環境負荷を低減するための先進的な方法に関する研究が続けられている。
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に合わせて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（ガソリン）と混合してガソリンエンジンで使用できますが、純粋なエタノールは同量の純粋なガソリンのエネルギーのほんの一部しか含まないため、エンジンの改造を行った後でなければなりません。ガソリンと比較すると効率は劣りますが、エタノールはガソリンよりも燃焼がより完全であるため、燃焼時に温室効果ガスの排出量が少なく、環境に優しい代替燃料となっています。[ 1 ]
輸送燃料用のエタノールの世界的生産量は、2000年から2007年の間に3倍に増加しました[ 2 ] 。エタノール生産量は全体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が減少しました[ 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 ] 現在米国で走行しているほとんどの車は、最大15%のエタノール混合燃料で走行できます[ 5 ]。また、2011年には、国内産のエタノールが米国のガソリン燃料供給量の10%を占めていました[ 4 ]。一部のフレキシブル燃料車は、最大100%のエタノールを使用できます。
エタノールのみで走行する最初の量産車は、1978年にフィアットがブラジルで発売したフィアット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年以降は合法的な混合比率がエタノール約25％、ガソリン約75％（E25）となっています。[ 6 ] 2011年12月までに、ブラジルには1480万台のフレックス燃料自動車と小型トラック[ 7 ] [ 8 ]、および150万台のフレックス燃料バイク[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]があり、これらは定期的に純粋なエタノール燃料（E100として知られる）を使用しています。
輸送燃料用のエタノールの世界生産量は、2000年から2007年の間に17×10⁹リットル（4.5×10⁹米ガロン、3.7×10⁹英ガロン）から52×10⁹リットル（14 × 10⁹米ガロン、 11 × 10⁹英ガロン）以上に3倍に増加した。2007年から2008年にかけて、世界のガソリン系燃料使用量に占めるエタノールの割合は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%を占めるトップ生産国となった。[ 4 ]米国のエタノール生産量は2017年5月に57.54 × 10 9リットル（15.20 × 10 ^ 9米ガロン、12.66 × 10 ^ 9英ガロン）に達した。 [ 12 ]
エタノール発酵の過程では、トウモロコシ（またはサトウキビやその他の作物）に含まれるグルコースなどの糖類がエタノールと二酸化炭素に変換されます。
エタノール発酵は、酢酸やグリコールなどの副生成物に対して100%選択的ではありません。これらの副生成物は、エタノール精製の過程で大部分が除去されます。発酵は水溶液中で行われ、得られた溶液のエタノール濃度は約15%です。その後、エタノールは吸着と蒸留を組み合わせた方法で分離・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、熱を生成する。
デンプンとセルロース分子は、グルコース分子が連なったものです。セルロース系物質からエタノールを生成することも可能ですが、そのためにはセルロースをグルコース分子やその他の糖類に分解する前処理が必要であり、その後、これらの糖類を発酵させます。こうして得られた生成物はセルロース系エタノールと呼ばれ、その原料を示しています。
エタノールは、触媒と高温の存在下でエチレンの二重結合を水和させることによって、工業的にも製造される。
エタノールの大部分は発酵によって生産される。
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することによって作られます。また、炭化カルシウム、石炭、石油ガス、その他の供給源からエチレンまたはアセチレンを介して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、1,814,000トン）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 ]石油由来のエタノール（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、炭素系原料の変換によって得られます。農業原料は、光合成によって太陽からエネルギーを得るため、再生可能とみなされます。ただし、成長に必要なすべてのミネラル（窒素やリンなど）が土地に戻されることが前提となります。エタノールは、サトウキビ、バガス、ミスカンサス、テンサイ、ソルガム、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、および多くの種類のセルロース廃棄物や収穫物など、さまざまな原料から生産できます。ただし、最も優れたウェル・トゥ・ホイール評価が得られるものを選びます。
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。藻類を栽培してから収穫して発酵させるのではなく、藻類を日光の下で育てて直接エタノールを生産し、藻類を殺さずにエタノールを取り出します。このプロセスでは、トウモロコシ生産の1エーカーあたり400米ガロン（1エーカーあたり330英ガロン、1ヘクタールあたり3,700リットル）に対し、年間1エーカーあたり6,000米ガロン（1エーカーあたり5,000英ガロン、1ヘクタールあたり56,000リットル）を生産できるとされています。[ 16 ] 2015年にこのプロジェクトは中止されました。[ 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、トウモロコシ植物のごく一部しか使用されません。トウモロコシの粒を取り出し、乾燥粒質量の約50%を占めるデンプンのみをエタノールに変換します。第二世代のプロセスは2種類開発中です。1つ目は酵素と酵母発酵を用いて植物セルロースをエタノールに変換するもので、2つ目は熱分解を用いて植物全体を液体バイオオイルまたは合成ガスに変換するものです。第二世代のプロセスは、草、木材、藁などの農業廃棄物といった植物にも適用できます。
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、トウモロコシなどの非常に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かについては、かなりの議論があります。その生産と使用に関する懸念は、作物に必要な耕作地の広さによる食料価格の上昇（バイオ燃料の間接的な土地利用変化の影響を参照）や、特にトウモロコシからのエタノール生産の全サイクル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 ]
エタノール燃料の製造方法には様々なものがあるが、最も一般的な方法は発酵によるものである。
エタノールの大規模生産の基本的な手順は、糖の微生物（酵母）発酵、蒸留、脱水（要件は様々で、下記のエタノール燃料混合物を参照）、および変性（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）。酵素はデンプンを糖に変換するために使用されます。[ 21 ]
エタノールは、糖の微生物発酵によって生産されます。微生物発酵は現在、糖を直接利用する場合に限られています。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からできており、原理的には発酵用の糖に変換することができます。しかし、現在経済的に変換できるのは、糖（例えばサトウキビ）とデンプン（例えばトウモロコシ）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ことによって得られるセルロース系エタノールには関心が寄せられている。 [ 22 ]しかし、セルロース系エタノールは現在経済的に成り立たず、商業的に実施されていない。2006年の国際エネルギー機関の報告書によると、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 ]
エタノールを燃料として使用できるためには、酵母固形分と大部分の水分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 ]この蒸留と呼ばれるプロセスでエタノールは分離されますが、最大でエタノール95.6% m/m (96.5% v/v)、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、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、含水エタノールはすべての比率でガソリンと混和するわけではないため、ガソリンエンジンでガソリンと組み合わせて燃焼させるために、通常はさらなる処理で水分が除去されます。[ 25 ]
エタノールと水の共沸混合物から水分を除去する脱水プロセスは3つあります。最初のプロセスは、初期の燃料用エタノール工場で多く用いられていた共沸蒸留と呼ばれ、混合物にベンゼンまたはシクロヘキサンを加えるものです。これらの成分を混合物に加えると、気液液平衡状態にある不均一な共沸混合物が形成され、これを蒸留すると、塔底に無水エタノール、そして水、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、これは二相液体混合物になります。同伴剤（ベンゼンまたはシクロヘキサン）が少ない重い相は、同伴剤が除去されて供給液にリサイクルされます。一方、分離によって生じた凝縮液を含む軽い相は、第２の塔にリサイクルされます。抽出蒸留と呼ばれる別の初期の方法は、エタノールの相対揮発性を高める三成分を添加することから成ります。三成分混合物を蒸留すると、塔の上部流に無水エタノールが生成されます。
エネルギー節約への関心が高まるにつれ、脱水のために蒸留を完全に回避する多くの方法が提案されてきた。これらの方法のうち、3番目の方法が登場し、現代のエタノール工場の大部分で採用されている。この新しいプロセスでは、分子ふるいを使用し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のベッドを通過する。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ようにサイズが調整されている。一定時間後、ベッドは真空下または不活性雰囲気（例えばN₂）の流れの中で再生され、吸着された水分が除去される。ベッドは2つ使用されることが多く、一方が水分を吸着している間にもう一方が再生される。この脱水技術は、従来の共沸蒸留と比較して、3,000 btu/ガロン（840 kJ /L）のエネルギー節約につながる。[ 26 ]
最近の研究では、ガソリンと混合する前に完全に脱水する必要は必ずしもないことが実証されています。代わりに、共沸混合物をガソリンと直接混合することで、液液相平衡が水の除去を助けることができます。ミキサーセトラータンクの2段階向流構成により、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 ]
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。吸収された水はエタノールの燃料価値を低下させ、エタノールとガソリンの混合燃料の相分離（エンジンストールの原因となる）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しておく必要があります。この高い水混和性のため、エタノールは液体炭化水素のように、現代のパイプラインを通して長距離を効率的に輸送することはできません。[ 28 ]
エタノールとガソリンの混合燃料が相分離を起こさずに含有できる水の割合は、エタノールの割合とともに増加します。[ 29 ]例えば、E30 では最大で約 2% の水を含むことができます。エタノールが約 71% を超えると、残りは水またはガソリンの任意の割合であっても相分離は発生しません。燃料の燃費は、水分含有量の増加とともに低下します。エタノール含有量が高いほど水の溶解度が増加するため、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、それらの組み合わせは常に単一相になるからです。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 °C では約 0.5% v/v ですが、-34 °C では約 0.23% v/v に減少します 。[ 30 ]
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ユーザー向けに販売されてきたが、エンドユーザー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た。2008年に、2つの異なる企業が家庭用エタノール生産システムを発表した。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る一方、E-Fuel Corporation社のE-100 MicroFueler [ 32 ]はエタノール専用である。
米国では、エタノール燃料の「ガソリンガロン相当値」（GGE）は約1.5であり、つまり、1体積のガソリンのエネルギーを置き換えるには、1.5倍の体積のエタノールが必要である。[ 33 ]エタノールは通常ガソリンより安価であるが、GGEではエタノールの価格は1.5倍になるため、ガソリンより安価になることはめったにない。[ 34 ]エタノールのオクタン価が非常に高いため、非常に高い圧縮比と相性が良いことから、高濃度のエタノール混合物が一部のレーシングエンジン用途で使用されている。
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、理論的には、同じ燃費であれば、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べて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、改造されていない車両での燃料消費量の増加は、従来のガソリンと比較すると小さく（最大2.8％）、[ 37 ]酸素添加および再配合されたブレンドと比較するとさらに小さく（1～2％）なります。[ 38 ] E85（エタノール85％）の場合、その影響は顕著になります。E85はガソリンよりも燃費が悪く、給油頻度が高くなります。実際の性能は車両によって異なる場合があります。2006年のすべてのE85モデルに対するEPAテストに基づくと、E85車両の平均燃費は無鉛ガソリンよりも25.56％低くなっています。[ 39 ]現在の米国のフレックス燃料車のEPA評価燃費[ 40 ]は価格比較を行う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の高性能燃料であり、プレミアム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、一部のオートバイ、小型エンジンには適していませんが、 [ 42 ]エンブラエルEMB 202イパネマは、一部のバリエーションでエタノール燃料での使用のために特別に設計された航空機の例です。
エタノールの混合比率が高いと、寒冷時に燃料が蒸発して点火するのに十分な蒸気圧を得ることが難しくなります（エタノールは燃料の蒸発エンタルピーを増加させる傾向があるため[ 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ります。[ 44 ] 11 °C (52 °F )未満の温度でこの問題を回避し、寒冷時のエタノールの排出量を削減するために、米国と欧州の両市場では、フレキシブル燃料車に使用できる最大混合比率として E85 を採用し、そのような混合比率で走行するように最適化されています。厳しい寒冷地では、米国ではこれらの極寒地域向けにエタノール混合比率を季節的にE70に減らしていますが、それでも E85 として販売されています。 [ 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設置することが推奨されます。スウェーデンでも同様の季節的な削減が行われているが、冬季にはブレンド中のエタノール含有量がE75に削減される。 [ 46 ] [ 47 ]
ブラジルのフレックス燃料車は、 E100までのエタノール混合燃料で走行できます。E100は含水エタノール（最大4%の水を含む）で、E85車に比べて蒸気圧の低下が速いです。そのため、ブラジルのフレックス燃料車は、エンジンの近くに小型の補助ガソリンタンクを備えています。低温始動時には、低温での始動トラブルを避けるために純ガソリンが噴射されます。この対策は、冬季に気温が通常15 ℃ （59 °F ）を下回るブラジルの南部および中部地域のユーザーにとって特に必要です。2009年に改良されたフレックスエンジン世代が発売され、補助ガソリン貯蔵タンクが不要になりました。[ 48 ] [ 49 ] 2009年3月、フォルクスワーゲン・ド・ブラジルは、低温始動用の補助タンクのないブラジル初のフレックス燃料モデルであるポロE-フレックスを発売しました。 [ 50 ] [ 51 ]
多くの国では、自動車はエタノール混合燃料で走行することが義務付けられています。ブラジルのすべての小型車両は、最大25%のエタノール混合燃料（E25）で走行するように設計されており、1993年以降、連邦法により22%から25%のエタノール混合燃料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ます。 [ 52 ]米国では、すべての小型車両は、10%のエタノール混合燃料（E10）で通常走行するように設計されています。2010年末には、米国で販売されたガソリンの90%以上がエタノール混合燃料でした。[ 53 ] 2011年1月、米国環境保護庁（EPA）は、2001年以降のモデルイヤーの乗用車と小型ピックアップトラックのみを対象に、ガソリンに最大15%のエタノールを混合した燃料（E15 ）の販売を許可する免除措置を発行しました。[ 54 ] [ 55 ]
1999年モデル以降、世界中で、改造なしでエタノール0%から100%までのあらゆる燃料で走行できるエンジンを搭載した車両が増加しています。多くの乗用車や小型トラック（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）のエタノール混合燃料を使用するフレキシブル燃料車として設計されています。旧モデルでは、エンジンシステムに燃料内のアルコールセンサーと排気内の酸素センサーが搭載されており、エンジン制御コンピューターに入力情報を提供して、あらゆる燃料混合比で理論空燃比（排気中に残留燃料や遊離酸素がない状態）になるように燃料噴射を調整していました。新型モデルでは、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センサーとエアフローセンサーから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、燃焼燃料中の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、早期着火を防ぎながら出力を向上させることができます。この方法は、エタノール燃料を使用するかどうかにかかわらず、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支えられており、ノックセンサーは早期着火とデトネーションを検出します。
2021年6月、インドは20％エタノール混合自動車燃料の導入目標を2025年に前倒しした。インドの燃料中のエタノール混合率（この目標改定時点）は8％だが、ナレンドラ・モディ首相が6月5日（世界環境デー）に発表した「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％に引き上げられる予定である。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月以降に20％エタノール混合燃料を提供することを期待している。エタノールが余剰とな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の州が、より高いエタノール混合率の燃料を最初に採用すると予想されている。[ 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展開を優先している。 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、環境保護主義者は、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促進する可能性があると懸念しており、インドはすで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注力すべきだと提言している。[ 57 ]
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 ]これらは主に都市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変更されており、使用される燃料（ED95として知られる）は93.6%のエタノールと3.6%の着火促進剤、2.8%の変性剤の混合物である。[ 59 ]着火促進剤により、ディーゼル燃焼サイクルで燃料が着火することが可能となる。これにより、エタノールでもディーゼル原理のエネルギー効率を利用することができる。これらのエンジンは英国ではリーディングバスで使用されていたが、バイオエタノール燃料の使用は現在段階的に廃止されている。
2004年のMITの研究と、それ以前に米国自動車技術者協会が発表した論文では、燃料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してハイブリッド電気自動車のコスト効率を確実に向上させる可能性を示しています。この改善は、純粋なアルコール（または共沸混合物、E85）とガソリンを、それぞれ最大100%までの任意の比率で、ターボチャージャー付き高圧縮比小排気量エンジンに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、排気量が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（高効率のため）エンジンは、低出力の巡航走行時には通常のガソリンで動作します。アルコールは、急加速時などノッキングを抑制するために必要な場合にのみ、シリンダーに直接噴射され（同時にガソリンの噴射量が減少します）。直接シリンダー噴射により、エタノールの既に高いオクタン価が実効130まで上昇します。計算によると、ガソリン使用量とCO2排出量の全体的な削減率は30%です。消費者のコスト回収期間は、ターボディーゼルに比べて4:1、ハイブリッドに比べて5:1改善されています。予混合ガソリンへの水分吸収（相分離の原因となる）、複数の混合比率の供給問題、寒冷時の始動の問題も回避されます。[ 60 ] [ 61 ]
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増加により、純粋なエタノールからE50までの燃料で圧縮比19.5を達成しました。ディーゼルとほぼ同等の熱効率が達成されました。[ 62 ]これにより、純粋なエタノール車の燃費はガソリンを燃焼する車とほぼ同じになります。
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採用している水素ではなく、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、水素を高圧で供給するために必要なインフラを構築するよりも、燃料供給インフラを構築する方が安価で容易であるということである。水素燃料供給ステーション1基の建設には100万ドルから200万ドルかかる。[ 63 ]
日産は、液体エタノール燃料を原料として車内で水素を生成する技術を開発する計画だ。この技術は、熱を利用してエタノールを水素に改質し、固体酸化物燃料電池（SOFC）に供給する。燃料電池は発電し、ピーク時の電力需要に対応し、再生エネルギーを蓄えるバッテリーを介して、車輪を駆動する電気モーターに電力を供給する。この車両には、水とエタノールの混合液を入れるタンクが搭載され、車載改質器に供給されて純粋な水素と二酸化炭素に分解される。日産によると、液体燃料はエタノールと水の比率が55:45の混合液になる可能性がある。日産は、2020年までにこの技術を商用化する予定だ。[ 63 ]
2011年の世界のエタノール燃料生産量トップは、米国（ 13.9 × 10⁹米国ガロン、5.3 × 10¹⁰リットル、1.16 × 10¹⁰英ガロン）とブラジル（ 5.6 × 10⁹米国ガロン、2.1 × 10¹⁰リットル、4.7 × 10⁹英ガロン）で、両国合わせて世界の生産量22.36 × 10⁹米国ガロン（8.46 × 10¹⁰リットル、1.862 × 10¹⁰英ガロン）の87.1 %を占めている。[ 4 ]強力なインセンティブとその他の産業開発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、および一部の中米諸国などの国々で、新興のエタノール産業が台頭している。
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、これによりブラジルは世界第2位のエタノール生産国（米国に次ぐ）および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では、最新の設備と安価なサトウキビを原料として使用し、残ったサトウキビの廃棄物（バガス）は熱と電力の生産に使用されている。[ 68 ]ブラジルではもはや純粋なガソリンで走る小型車両はない。[ 69 ]
†実験段階であり、商業生産はされていない
†† 製造方法による
すべてのバイオマスは、少なくともこれらのステップのいくつかを経ます。栽培、収集、乾燥、発酵、蒸留、燃焼が必要です。これらのステップ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、結果として得られるエタノール燃料の燃焼によって放出されるエネルギーを比較したものが、エネルギーバランス（または「投資された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 ジオグラフィックの 2007 年のレポート[ 70 ]にまとめられた数値は、米国で生産されるトウモロコシ エタノールについて控えめな結果を示しています。1 単位の化石燃料エネルギーで、結果として得られるエタノールから 1.3 単位のエネルギーが生成されます。ブラジルで生産されるサトウキビ エタノールのエネルギーバランスはより良好で、1 単位の化石燃料エネルギーで 8 単位のエタノールが生成されます。エネルギーバランスの推定は容易に作成できないため、矛盾する多数のレポートが作成されています。例えば、別の調査報告によると、生産的に生育するには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。[ 71 ]トウモロコシからエタノールを生産するには、ガソリンを生産するよりもはるかに少ない石油を使用する。[ 72 ]
二酸化炭素は温室効果ガスであり、発酵や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産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 ] 特定の方法で生産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 ]
従来の無鉛ガソリンと比較して、エタノールは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する、粒子状物質を含まない燃焼燃料です。米国では、大気浄化法により、一酸化炭素排出量を削減するために酸素添加剤の添加が義務付けられています。添加剤MTBEは地下水汚染のため現在段階的に廃止されており、その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、アンモニアなどの主要栄養素肥料の製造による大気汚染が含まれます。
E85燃料は、最悪のシナリオである米国ロサンゼルスにおいて、ガソリンと比較し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る。[ 76 ]オゾン濃度は大幅に上昇し、光化学スモッグが増加し、喘息などの健康問題が悪化する。[ 77 ] [ 78 ]
ブラジルでは大量のエタノールバイオ燃料が燃焼されている。ブラジルのサンパウロ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していない日本の大阪と比較した。大気中のホルムアルデヒドはブラジルの方が160%高く、アセトアルデヒドは260%高かった。[ 79 ]
バイオエタノールの製造過程で発生する二酸化炭素の量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や計算における前提条件に大きく依存します。計算には以下を含める必要があります。
このような計算では、以下の影響を考慮する場合もあれば、考慮しない場合もある。
右側のグラフは、英国政府が再生可能輸送燃料義務の目的で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の削減率は7.4%と推定されている。ナショナルジオグラフィックの概要記事（2007年）[ 70 ]では、トウモロコシ由来エタノールの生産および使用時のCO2排出量はガソリンと比較して22%少なく、サトウキビ由来エタノールでは56%少ないとされている。自動車メーカーのフォードは、同社のフレキシブル燃料車の1つで、バイオエタノールを使用した場合のCO2排出量はガソリンと比較して70%削減されると報告している。[ 81 ]
さらに複雑なのは、生産には新しい土壌を耕す必要があることです[ 82 ]。これにより、一度限りの温室効果ガスが放出され、その排出量を相殺するには、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、最初の耕作によって放出される温室効果ガスを相殺するために、年間約1世紀の節約が必要になります[ 82 ] 。
農業用アルコールには大規模な農業が必要です。ある試算によると、米国で栽培されるトウモロコシすべてをエタノール製造に使用した場合、現在の米国のガソリン消費量の 12% を代替することになります。[ 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、現在森林が維持されている地域は通常、作物の栽培には適していないと指摘する人もいます。[ 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、農薬と肥料の使用の増加、地域社会の潜在的な混乱を招く可能性があります。[ 88 ]新しい技術により、農家や加工業者はより少ない投入で同じ生産量をますます多く生産できるようになっています。[ 84 ]
セルロース系エタノールの生産は、土地利用や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、潜在的に収量を2倍にすることができ、食料需要と燃料需要の間の対立を最小限に抑えることができます。小麦やその他の作物を粉砕して得られるデンプン副産物だけを利用するのではなく、セルロース系エタノールの生産では、グルテンを含むすべての植物材料の利用が最大限に行われます。このアプローチでは、利用可能な材料の生産量を増やすためにエネルギー集約型の肥料や殺菌剤の量は変わらないため、二酸化炭素排出量が少なくなります。セルロース系エタノールの生産技術は現在、商業化段階にあります。[ 89 ] [ 23 ]
2009年5月にScience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「気候変動に優しい」輸送手段となる可能性がある。[ 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引き続き模索している。[ 91 ]
米国で生産・燃焼されるエタノール換算の燃料10億ガロンごとに、気候変動と健康への影響を合わせたコストは、 ガソリンで4億6900万ドル、 バイオ精製所の熱源（天然ガス、トウモロコシの茎、または石炭）と技術によってトウモロコシ由来エタノールで4億7200万ドルから9億5200万ドル、原料（プレーリーバイオマス、ミスカンサス、トウモロコシの茎、またはスイッチグラス）によってセルロース系エタノールでわずか1億2300 万ドルから2億800万ドルである。[ 92 ]
エタノール収率が向上したり、異なる原料が導入されたりすると、米国ではエタノール生産がより経済的に実現可能になる可能性がある。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率を向上させる研究が進められている。また、原油価格が高い限り、セルロースなどの他の原料を経済的に利用することが可能になる。藁や木材チップなどの副産物を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速い種は、他の換金作物には適さない土地で栽培でき、単位面積あたり高レベルのエタノールを生産できる。[ 70 ]
米国でエタノールを大規模に生産する根拠の一つとして、外国産の石油への依存を国内産のエネルギー源に移行させることでエネルギー安全保障に貢献するという点が挙げられる。 [ 111 ] [ 112 ]エタノールの生産には相当量のエネルギーが必要だが、現在の米国の生産では、石油ではなく石炭、天然ガス、その他のエネルギー源からそのエネルギーの大部分を得ている。[ 113 ]米国で消費される石油の66%が輸入されているのに対し、石炭は純余剰で、天然ガスはわずか16%（2006年のデータ）であるため、[ 114 ]石油系燃料をエタノールに置き換えることで、米国のエネルギー源が外国から国内へと純増することになる。
米国のエタノール生産により、ガソリンの小売価格は、そうでなければ得られ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 ]
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担うようになっている。
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、ストックカーブラジル選手権では純エタノールE100が使用されている。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る。 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る。[ 119 ]
プロジェクト・ガイアは、エチオピアやその他の発展途上国でアルコール系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、アルコール燃料を、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、公衆衛生問題への解決策とみなしています。汚染を引き起こす火を使った調理によって健康問題に直面している貧困層や社会的に疎外されたコミュニティを対象とし、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、他のいくつかの国でもプロジェクトの計画段階にあります。[ 120 ]
「持続可能な輸送のためのバイオエタノール」は、欧州連合の支援を受けた4年間のプロジェクトで、ヨーロッパ、ブラジル、中国の9つの地域が参加した。
エタノールの研究は、代替原料、新規触媒、および製造プロセスに焦点を当てています。イネオスは植物性材料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で遺伝子操作された大腸菌は、トウモロコシの茎からエタノールを生産できます。[ 122 ]その他の潜在的な原料としては、都市廃棄物、リサイクル製品、米殻、サトウキビのバガス、木材チップ、スイッチグラス、二酸化炭素などがあります。[ 123 ] [ 124 ]
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