Etanol yakıtı

Etanol, hava kirliliğini azaltmak ya da petrol ürünlerinin tüketimini azaltmak amacıyla, benzinle değişik oranlarda karıştırılarak kullanılabilir. En yaygın uygulamalar E10 ya da E85 diye bilinen sırasıyla %10 ve %85 etanol içeren karışımlardır.

Bitkilerden elde edilen etanol (biyo-etanol), sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak, sağladığı çevresel ve ekonomik yararlar nedeniyle, fosil yakıtlara göre avantajlar sağlamaktadır.

Etanol, yaygın olarak şeker kamışı ve mısırdan elde edilmektedir. Ancak etanol elde etmek için, bugün kullanılan teknolojiler, etanolden elde edilen enerjinin yaklaşık %70 fazlasını harcamayı gerektirdiğinden, hala fosil yakıtlar karşısında yeterince rekabet edici değildir.

Endüstriyel amaçlı etanol, petrol ürünlerinden, çoğunlukla etilenin, sülfürik asitle katalitik hidratasyonundan elde edilmektedir. Bu süreç, alkollü içeceklerle alakalı, geleneksel fermantasyon yönteminden daha ekonomiktir. Aynı zamanda, eten ya da asetilen aracılığıyla, kalsiyum karbit, kömür, doğal gaz ve diğer kaynaklardan da elde edilebilir.

Bu güne kadar, kayda değer bir etanol yakıt programı dört ülke tarafından oluşturulmuştur: Brezilya, Kolombiya, ABD ve Çin. Brezilya örneğinde, etanol üreten kurumların bağımsız olarak karlı olabilmeleri için, hükûmet tarafından, etanol endüstrisine ciddi yatırım yapılması gerekmektedir. Etanol, şeker kamışı, şeker pancarı, gine mısırı, dallı darı, arpa, kenevir, Hibiscus cannabinus, (tatlı) patates, manyok, ayçiçeği, meyveler, melas, kesik süt, mısır, mısır koçanı, hububat, buğday, tahta, kâğıt, saman, pamuk ve diğer biyokütleler ile çeşitli selüloz atıkları gibi pek çok farklı besin kaynağından elde edilebilir. Şeker kamışından etanol üretmek, mısıra göre daha verimlidir.

Artan etanol tüketiminin sonucu olarak, şeker kamışı ve mısır gibi besin kaynaklarına olan talep de artmıştır. Büyük ölçekte yakıt amaçlı zirai alkol üretimi, aynı zamanda geniş ve verimli ekilebilir alanlar ile suya olan talebi de artırmaktadır.

Etanol bir birinden çok farklı besin kaynaklarından, pek çok farklı yöntemle üretilebilir. Brezilya etanol üretiminde temel besin kaynağı olarak şeker kamışını kullanırken, kaynaklar kısmında belirtildiği gibi pek çok farklı besin kaynağının kullanılması mümkündür. Dallı darı etanol üretiminde mısıra göre iki kat daha verimlidir. Etanol üretiminin temel adımları: rafine ederek nişasta haline getirmek, sıvılaştırmak ve sakarifikasyon (hidroliz yöntemi ile nişasta glikoza dönüşür), fermentasyon, damıtma, dehidrasyon ve opsiyonel olarak denatürasyon. Fermentasyon sırasında karbondioksit gazı açığa çıkar.

Fermentasyon yöntemi ile üretilen etanol sonucunda suda çözünmüş etanol elde edilir. Etanolün bir yakıt olarak kullanılabilmesi için suyun uzaklaştırılması gerekmektedir. En eski yöntem, basitçe damıtmaktır, fakat bu yöntemle, su etanol karışımı azeotrop oluştuğu için %95-96 saflıktan öteye gitmek mümkün değildir. Çözelti karışımı damıtmayı sürdürerek, %96'dan daha saf etanol elde edilmesi mümkün değildir.

Benzinle karıştırabilmek için, en az %95.5 ile %99.9 arasında bir saflığa ihtiyaç duyulmaktadır. En yaygın saflaştırma yöntemi, moleküler elek kullanarak fiziksel absorblama prosesidir.

Geçmişte, çiftçiler kendi etanollerini damıtırken, damıtım sürecinin bir parçası olarak ısı plakalarından yararlanırlarmış. Isı plakaları, çoğunlukla, etanolün içine karışabilen kurşun içerirlermiş. Bu şekilde kontamine olmuş yakıtın yakılması sonucu sinir sitemine zarar verebilen kurşun havaya karışırmış. Bugün etanol yakıtı, özel olarak yetiştirilen bitkilerden, kurşun içermeyen yöntemlerle elde edilmektedir.

Genel olarak, bir benzin karışımındaki etanol miktarı yükseldikçe, standard araba motorları için uygunluğu azalmaktadır. Saf etanol kauçuk ve plastiklerle reaksiyona girdiği ya da onları çözdüğü için tadilat görmemiş motorlarda direkt olarak kullanılamaz. Ek olarak saf etanol (116 AKI, 129 RON), normal benzine (86/87 AKI, 91/92 RON) göre çok daha yüksek oktan oranına sahiptir.Bu nedenle, en fazla yarar için, ateşleme zamanı ve sıkıştırma oranının değiştirilmesini gerektirir. Saf benzin yakıtlı bir aracı, saf etanol yakıtlı bir araca dönüştürmek için, alan olarak %30-40 kadar daha büyük karbüratör kullanımını gerektirir. (Metanol kullanımı ise kabaca %50 daha da büyük yüzey alanı gerektirmektedir. Etanolle çalışan motorlar, 13 °C'nin altındaki sıcaklıklarda yanmayı maksimize edebilmek ve yanmamış, buharlaşmamış etanolü minimize edebilmek için, soğuk ortamda çalıştırma sistemine ihtiyaç duyarlar. Etanolün %10 ile %30 arasında bir karışımda kullanılması durumunda, hiçbir motor tadilatına ihtiyaç duyulmamaktadır. Pek çok yeni araç, bu oranlardaki karışımlarda güvenle çalışabilirler.

1999 yılından başlayarak, dünyada artan sayıda pek çok araç, tadilat gerektirmeksizin, %0 etanolden %85 etanole kadar çalışabilecek şekilde üretilmişlerdir. Pek çok hafif kamyon, kamyonet ve SUV, dual yakıt ya da esnek yakıtlı araç olarak üretilmektedir. Bu motorlar, yakıt cinsini otomatik olarak belirleyerek motor davranışlarını, temel olarak, silindirin içerisindeki hava yakıt karışımıyla ayarlarlar.

Bugün, Brezilya dünyadaki en büyük etanol yakıtı üreticisi ve tüketicisidir. Brezilya, 1980'lerden bu yana, şeker kamışına dayalı çok yaygın bir etanol yakıtı endüstrisi geliştirmiştir. Yılda yaklaşık 4 milyar gallon etanol üretir. Brezilya'daki etanol üretim tesisleri, şeker kamışından kalan şekersiz atıkları yakarak %34 pozitif enerji dengesi elde ederler. Brezilya'da etanol üretiminin geliştirilmesi hükûmetin desteği ile gerçekleşmektedir. Brezilya'da tüketilen tüm benzinin en azından %25'i alkol içermek zorundadır. Brezilya etanolü galonu yaklaşık 1.00$'dan üretebilmektedir. Brezilya'daki tüm yeni araçlar ya esnek yakıtlı ya da benzin yerine saf etanolü yakabilecek özellikte araçlardır. Brezilya'da etanol yakıtı ve elektrik üretiminde yararlanılan yan ürünleri, ülkenin petrole olan bağımlılığını ve hava kirliliğini azaltmada önemli katkıda bulunur.

Kolombiya'nın etanol yakıtı programı, 2002 yılında, hükûmet benzindeki oksijen miktarının zenginleştirilmesine dair bir yasayı hayata geçirmesiyle başlamıştır. Bu karar başlangıçta benzinin oksijenle zenginleştirilerek, karbonmonoksit emisyonların azaltmak için alınmıştır. Daha sonraki kanunlarla, biyokütleden elde edilen etanolün, vergi avantajları ile benzinden daha ucuz olması sağlanmıştır. 2004 yılıyla başlayan petrol fiyatlarındaki artış ve yenilenebilir yakıtlara duyulan ilginin artması ile bu eğilim daha da kuvvetlenmiştir. Kolombiya'da gerek benzin fiyatları gerekse etanol fiyatları hükûmet tarafından kontrol edilmektedir. Etanol programını bütünleyici olarak, bitkisel yağlardan yenilenebilir bir yakıt olarak biyodizel programı da geliştirilmiştir.

Şeker üretim prosesinin ucuna etanolü de ekleme ve aynı enerji kaynaklarını kullanma kolaylığı nedeniyle, etanol üretimine ilgi, büyük ölçüde mevcut şeker endüstrisinden gelmiştir. Hükûmet ülke genelinde %10 etanol ve %90 benzin karışımının yaygınlaştırılmasına dair hedefini kademeli olarak hayata geçirmektedir. Etanol tesisleri vergi avantajları ile özendirilmektedir. Yuka (manyok) ve yeni, şeker kamışı tarımından elde edilen etanole ilgili olmakla birlikte, daha ucuz olan karbonhidratların üretimi henüz gerçekleştirilememiştir.

Kolombiya'daki ilk etanol yakıtı tesisi, 2005 Ekim ayında, Kauka bölgesinde, günde 300,000 litre kapasiteyle üretimine başlamıştır. 2006'nın Mart ayında, hepsi Kauka Vadisi'nde olmak üzere, birleşik olarak toplam günde 1,050,000 litre ya da yılda 357 milyon litre kapasite ile faal hale gelmişlerdir. Kauka Vadisi'nde, şeker tüm yıl boyunca üretilebilmektedir. Son eklenen yüksek kapasiteli damıtma tesisleri ile birlikte, toplam yatırımlar 100 milyon USD'ın üzerine çıkmıştır. Kolombiya, %10 etanol karışımlı benzin kullanabilme hedefine ulaşabilmek için, 2007 yılıyla birlikte, günlük 2,500,000 litre kapasiteye ulaşabilmeyi hedeflemektedir. Şu an için üretilen etanol yakıtı Kauka Vadisine yakın, Bogota, Kali ve Pareira gibi büyük şehirlerde kullanılmaktadır. Henüz ülkenin tamamına yetecek kadar etanol üretimi yapılamamaktadır.

Etanol, Amerika Birleşik Devletleri'nde yaygın olarak bulunabilir değildir. Etanol üretiminin, ilk yatırımının büyüklüğü nedeniyle, üretimin ilk anından itibaren karlı olamaması, bir sorun olarak kabul edilmektedir. Benzin fiyatlarındaki yükselme devam ettiği sürece, etanolün de benzine oranla karlılığında bir artış olacaktır. Toplam 165,000 pompadan sadece, kabaca 685 istasyon E85 pompası sunmaktadır. Etanol yakıtı, yaygın olarak, sadece, etanolün işlendiği orta batıda ve Kaliforniyada bulunmaktadır. Mayıs 2006 itibarıyla, Birleşik Devletler'de yıllık 1.8 milyon m³ etanol üretim kapasitesi bulunmaktadır ve üzerine yıllık, yaklaşık 760,000 m³ kapasite eklenmeye devam etmektedir. Ek olarak bir Amerikan şirketi Pacific Ethanol ise etanol üretimi yatırımlarını daha fazla Batı Amerika'da sürdürmektedir.

Brezilya, Kolombiya ve Birleşik Devletlerde, şeker kamışı ya da tahıllardan elde edilen etanolün kullanımı, hükûmet programlarıyla teşvik edilmektedir. Teşvikler bazı eyaletlerde 1973 Arap petrol ambargosundan sonra başlamıştır. Birleşik Devletler'de 1978 yılında yürülülüğe giren Enerji Vergisi Akdi ile biyoyakıtlara vergi istisnası getirilmiştir. Bu istisnanın yıllık karşılığının 1.4 milyar US$ olduğu tahmin edilmektedir. Bir başka federe program ise etanol tesislerinin inşası için ihtiyaç duyulan kredilere garantör olmaktadır. 1986 yılında Amerikan hükûmeti etanol üreticilerine bedava mısır dahi dağıtmıştır.

2005 yılının Ağustos ayında, Birleşik Devletler Başkanı Bush, etanol ve biyodizel üretiminin, gelecek on yıl içerisinde, 15 milyon m³ ten 28 milyon m³'e çıkarılmasını öngören kapsamlı bir enerji yönetmeliğine imza atmıştır. Kısa vadede bu artışın hemen tamamının mısırdan elde edilen etanol ile karşılanması beklenmektedir.

Avrupa Parlamentosu'nun 2003/30/EC nolu direktifi, fosil yakıtların biyoyakıtlarla değiştirilmesini teşvik eder. İngiltere'de, biyodizel gibi alternatif yakıtların vergilendirilmesi en az fosil yakıtlarınki kadar sıkıntılı iken, İngiliz hükûmeti, etanol dahil olmak üzere biyoyakıtların kullanımını özendiren bir ulusal mevzuatı adapte etmiştir..

Alternatif bir yakıt olarak analiz edilmeye devam eden hidrojen, diğer yandan da, bir hidrojen ekonomisini yaratmaktadır. Diğer yakıtlarla karşılaştırıldığında, gaz halindeyken çok fazla hacim kaplayan hidrojen için lojistik en önemli sorun olarak görünmektedir. Hidrojenin taşınabilmesi için mümkün görünen bir çözüm, etanolün kullanılmasıdır. Daha sonra hidrojen, yeniden şekillendirici içerisinde, bağ kurduğu karbondan ayrıştırılarak, yakıt hücrelerini doldurmak için kullanılabilir. Alternatif olarak, bazı yakıt hücreleri (Doğrudan etanol yakıt hücreleri), etanol ya da metanolün direkt dökülmesi suretiyle de doldurulabilir. 2005 yılında, yakıt hücrelerinin metanolü etanolden çok daha verimli tüketebildiği gözlemlenmiştir.

2004 yılının başlarında, Minnesota Üniversitesi araştırmacıları, etanolün bir katalist yığınından beslendiği ve çıktısı hidrojenin yakıt hücreleri için uygun olduğu, basit bir etanol reaktörü bulduklarını açıkladılar. Cihaz, yaklaşık 700 °C'de gerçekleşen ilk tepkime için, rodyum-seryum katalisti kullanır. İlk tepkime esnasında etanol, su buharı ve oksijen karışarak, tepkime sonucunda oldukça yüksek miktarda hidrojen üretirler. Ne yazık ki, tepkimeyle birlikte karbonmonoksit gazı da açığa çıkar. Zehirli bir gaz olan karbonmonoksitin bir başka katalistten geçirilerek karbondioksite dönüşmesi gerekir. Cihazın son çıktısı, yaklaşık olarak %50 hidrojen, %30 azot gazı ve kalan %20 de karbondioksit gazıdır. Gerek azot gerekse karbondioksit yakıt hücrelerine pompalandıkları zaman etkisiz gaz davranışı sergilerler.

EEI, biyokütlelerden bütanol elde etmek üzere yeni bir metot geliştirmiştir. Bu proses, etanolün yan ürün çıktılarını azaltmak üzere, iki farklı mikro organizmanın sırası ile kullanılması şeklinde gerçekleşir. İlginç bir şekilde, bu işlem sonucunda, bütanolün yanı sıra oldukça yüksek miktarda hidrojen açığa çıkar.