الإيثانول، المعروف أيضًا باسم الكحول الإيثيلي، هو نوع من الكحول، صيغته الكيميائية هي C2H5OH. الإيثانول هو سائل شفاف عديم اللون ذو رائحة وطعم مميزين. و هو نوع الكحول الموجود في المشروبات الكحولية.

يمكن استخدام الإيثانول كوقود حيوي، إما ممزوجًا بالبنزين أو في الحالتة الصافية. و هو مصدر للطاقة المتجددة عندما يتم إنتاجه من مواد نباتية و استخدامه كبديل للوقود الأحفوري لتشغيل المحركات.

أعلاف سللوزية. المصدر

الاستخدام الأكثر شيوعًا لهذا الوقود المتجدد هو كمزيج مع البنزين أو بدون مزج في المركبات المصممة خصيصًا. الطرق الرئيسية التي يساهم بها الإيثانول في تعميم الطاقة المتجددة:

• خليط الإيثانول الحيوي: غالبًا ما يتم مزج الإيثانول مع البنزين لإنتاج مزيج من الإيثانول الحيوي. تشمل الخلطات الشائعة E10 (10% إيثانول، 90% بنزين) وE85 (ما يصل إلى 85% إيثانول، والباقي بنزين). يمكن استخدام هذه الخلطات في محركات البنزين التقليدية مع إضافة تعديلات أو بدون تعديلات.
• مركبات الوقود المرن (Flex-Fuel Vehicles - FFVs): تم تصميم مركبات الوقود المرن لتعمل بمزيج عالي الإيثانول مثل E85. تحتوي سيارات ذات الوقود المرن على محركات يمكنها التكيف مع نسب مختلفة من الإيثانول والبنزين. توفر هذه المرونة للمستهلكين خيار اختيار خليط الإيثانول الحيوي بناءً على التوفر والسعر.
• الحد من انبعاثات الغازات الدفيئة: إنتاج واستخدام الإيثانول يولد بعض الانبعاثات، إلّا أنّ البصمة الكربونية الإجمالية أقل مقارنة بالبنزين التقليدي. حيث أن ثاني أكسيد الكربون المنبعث أثناء احتراق الإيثانول هو جزء من دورة الكربون الطبيعية، و هو يأتي من استهلاك النباتات المستخدمة لإنتاج الإيثانول ثاني أكسيد الكربون أثناء نموها.
• المخلفات الزراعية والإيثانول السليولوزي: تستخدم طرق إنتاج الإيثانول المتقدمة، مثل الإيثانول السليولوزي، الكتلة الحيوية الغير الغذائية، أو مخلفات الزراع و الغابات. يقلل هذا النهج من الاعتماد على المحاصيل الغذائية التقليدية لإنتاج الإيثانول ويوسع مصادر المواد الأولية المحتملة.
• تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري: من خلال دمج الإيثانول في إمدادات الوقود، تهدف المنظمات إلى تقليل اعتمادها على الوقود الأحفوري، وتعزيز الأمن الطاقي، وتنويع مصادر الطاقة لديها.

من المهم ذِكر أن الاستدامة البيئية والاقتصادية للإيثانول كمصدر للطاقة المتجددة تعتمد على عوامل مختلفة، بما في ذلك المواد الأولية المستخدمة، وطرق الإنتاج، والممارسات في استخدام الأراضي، واعتبارات النقل. ويهدف البحث والتطوير المستمر إلى تحسين كفاءة واستدامة إنتاج الإيثانول، مما يجعله خيارًا أكثر قابلية للتطبيق من أجل تقليص البصمة الكربونية.

علامات للمركبات الوقود المرن FFV. المصدر

مميزات محركات الإيثانول

تعد محركات الإيثانول ومحركات البنزين من محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل على مبادئ مماثلة، ولكن هناك اختلافات رئيسية بين الاثنين، تتعلق بشكل أساسي بخصائص الوقود المستعمل. من الفروقات الرئيسية:

• تكوين الوقود: محركات الإيثانول مصممة للعمل بالإيثانول أو خليط عالي الإيثانول، مثل E85 (85% إيثانول، 15% بنزين).
• رقم الأوكتان: يحتوي الإيثانول على نسبة أوكتان أعلى مقارنة بالبنزين. وهذا يسمح لمحركات الإيثانول بالعمل بنسب ضغط أعلى، مما قد يؤدي إلى تحسين كفاءة المحرك.
• نسب الضغط: يمكن أن تتحمل محركات الإيثانول نسب ضغط أعلى بسبب ارتفاع معدل الأوكتان للإيثانول.
• محتوى الطاقة: محتوى الطاقة في الإيثانول لكل وِِحدة حجم أقل من المحتوى في البنزين. ونتيجة لذلك، قد تتطلب محركات الإيثانول حاقنات وقود أكبر أو تعديلات لتحقيق مستويات طاقة مماثلة.
• مشاكل البداية الباردة: يتمتع الإيثانول بضغط بخار أعلى، مما يجعل بدء التشغيل البارد في درجات الحرارة الشديدة البرودة أكثر صعوبة مقارنة بالبنزين.
• مواد نظام الوقود: الإيثانول أكثر تآكلًا و يتطلب مكوّنات نظام وقود متوافقة مع هذه البيئة. ويشمل ذلك مواد مثل الفولاذ المقاوم للصّدأ وأنواع معينة من المطّاط.
• التشحيم: للإيثانول خصائص تشحيم مختلفة عن البنزين، وقد يلزم تصميم مكونات المحرك أو تعديلها لاستيعاب هذه الاختلافات.

من المهم ملاحظة أن التقدم في تكنولوجيا المحركات والأبحاث المستمرة قد يؤدي إلى مزيد من التحسينات في توافق المحركات مع الإيثانول وأنواع الوقود البديلة الأخرى. كما يمكن للمركبات التي تعمل بالوقود المرن وبعض تعديلات المحرك أن تعزز مرونة استخدام الإيثانول كمصدر للوقود.

رقائق الخشب للإيثانول السيليلوزي. المصدر

إنتاج وقود الإيثانول

يتم إنتاج وقود الإيثانول بطرق مختلفة، وذلك اعتمادًا في المقام الأول على المواد الخام المستخدمة. من بين طرق الإنتاج الرئيسية ما يلي:

• التخمير
  • تخمير السكر: تتضمن هذه الطريقة تخمير السكريات المشتقة من المواد الأولية مثل قصب السكر. تُستخدم عادةً أنواع الخميرة، مثل فطريات الخميرة، لتخمير السكريات وتحويلها إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون.
  • تخمير النشا: يمكن استخدام المواد الأولية الغنية بالنشا، بما في ذلك الذرة، والقمح، والشعير، والبطاطس، لإنتاج الإيثانول. يتم تحويل النشويات أولاً إلى سكريات من خلال التحلل الأنزيمي أو الحمضي، ثم يحدث التخمر كما هو الحال في تخمير السكر.
• التخمير السليولوزي
  • الإيثانول السليولوزي: تتضمن هذه الطريقة التحلل الأنزيمي بالماء للكتلة الحيوية الغنية بالسليلوز، مثل المخلفات الزراعية، أو بقايا الغابات (مثل رقائق الخشب)، و بعد ذلك يتم تخمير السكريات الناتجة إلى الإيثانول. تقوم الإنزيمات المحلّلة للسليلوز بتكسير السليلوز إلى سكريات أبسط، أساسا إلى الغلوكوز، والتي يمكن بعد ذلك تخميرها بواسطة الميكروبات. فعلى عكس إنتاج الإيثانول التقليدي، والذي يستخدم في المقام الأول النشا أو المواد الأولية الغنية بالسكر، يركّز إنتاج الإيثانول السليولوزي على استخدام مصادر الكتلة الحيوية الغير الغذائية.
• التغويز
  • تغويز الكتلة الحيوية: تخضع المواد الأولية للكتلة الحيوية للتغويز، وهي عملية كيميائية حرارية تحوّل الكتلة الحيوية إلى غاز اصطناعي يتكون من أول أكسيد الكربون والهيدروجين وغازات أخرى. يمكن بعد ذلك تحويل الغاز الاصطناعي حفزيًا إلى إيثانول وأنواع وقود سائلة أخرى مثل كحول الخشب.
• التحلل بالماء والتخمير: تتضمن هذه الطريقة تحلّل الكتلة الحيوية الخشبية بالماء، التي تحتوي على مكونات السليلوز والهيميسليلوز والليغنين. التحلل الحمضي أو الأنزيمي بالماء يقوم بتكسير بنية الكتلة الحيوية المعقدة إلى سكّريات قابلة للتخمير، والتي يتم بعد ذلك تخميرها إلى إيثانول بواسطة البكتيريا.
• تخمير الغاز الاصطناعي: في هذه الطريقة، يتم تخمير الغاز الاصطناعي الناتج من تغْويز الكتلة الحيوية أو مصادر أخرى بواسطة بكتيريا قادرة على تحويل أول أكسيد الكربون والهيدروجين إلى إيثانول. يمكن لبعض البكتيريا اللاهوائية، مثل فصيلة المِطَثِّيّات، إجراء هذا التحويل من خلال عمليّة تعرف باسم تخمير الغاز الاصطناعي.
• تخمير الكتلة الحيوية الطحلبية: يمكن لبعض أنواع الطحالب الدقيقة أن تراكم مستويات عالية من الكربوهيدرات، والتي يمكن تحويلها إلى إيثانول من خلال التخمير. يمكن زراعة هذه الطحالب في مفاعلات حيوية ضوئية أو أحواض مفتوحة ومن ثمّ حصدها لإنتاج الإيثانول.

تختلف طرق الإنتاج من حيث التعقيد ومتطلبات المواد الأولية والطاقة والتأثيرات البيئية. ولِكل طريقة مزاياها وتحدياتها، ويهدف البحث والتطوير المستمر إلى تحسين الكفاءة وخفض التكاليف وتعزيز استدامة عمليات إنتاج الإيثانول.