معرفی سوخت اتانول: بررسی ویژگی‌ها، مزایا و معایب

سوخت اتانول یکی از سوخت‌های زیستی است که در سال‌های اخیر به‌عنوان جایگزینی پاک‌تر و پایدارتر برای بنزین معمولی مطرح شده است. با توجه به رشد روزافزون جمعیت، نیاز به انرژی و مسائل زیست‌محیطی، شناخت دقیق‌تر و کامل‌تر درباره اتانول و کاربردهای آن در صنعت خودرو اهمیت ویژه‌ای یافته است. در این مقاله به بررسی کامل سوخت اتانول، ویژگی‌های فنی، نحوه تولید، مزایا، معایب و کاربردهای آن می‌پردازیم.

اتانول چیست؟ ساختار و ویژگی‌های شیمیایی

اتانول، که با نام الکل اتیلیک نیز شناخته می‌شود، یک ترکیب شیمیایی با فرمول مولکولی C₂H₅OH است. این ماده، مایعی شفاف، بی‌رنگ و دارای بویی مشخص شبیه به الکل معمولی است که در صنایع گوناگون از نوشیدنی تا سوخت کاربرد دارد.

از نظر شیمیایی، اتانول یک الکل ساده است که از دو اتم کربن، پنج اتم هیدروژن و یک گروه هیدروکسیل (-OH) تشکیل شده است. این ساختار باعث می‌شود اتانول به‌خوبی با آب و برخی حلال‌های آلی مخلوط شود.

خواص فیزیکی و شیمیایی اتانول

• جرم مولکولی: 46.07 گرم بر مول
• نقطه جوش: تقریباً 78.37 درجه سلسیوس
• نقطه اشتعال: 13 درجه سلسیوس (مایع)
• چگالی: 0.789 گرم بر سانتی‌متر مکعب در دمای 20 درجه سلسیوس
• دلیل استفاده در سوخت: قابلیت احتراق بالا و داشتن عدد اکتان بالا (حدود 108 تا 113)

روش‌های تولید اتانول

اتانول سوختی عمدتاً از دو روش اصلی تولید می‌شود: روش بیولوژیکی و روش شیمیایی.

1. تولید بیولوژیکی (Fermentation)

در این روش، اتانول از طریق تخمیر قندها و نشاسته‌ها به‌وسیلهٔ میکروارگانیسم‌هایی مانند مخمرها تولید می‌شود. منابع اولیه می‌توانند شامل ذرت، چغندرقند، نیشکر، و سایر مواد کشاورزی باشند. فرآیند تخمیر شامل موارد زیر است:

1. تبدیل نشاسته یا قند به قندهای ساده توسط آنزیم‌ها
2. تخمیر قندهای ساده به وسیله مخمرها به الکل و دی‌اکسید کربن
3. تقطیر الکل برای جداسازی و افزایش خلوص اتانول

معمولاً اتانول حاصل از تخمیر برای استفاده در سوخت باید به نسبت خلوص 99.5٪ برسد که برای این منظور عملیات تقطیر چند مرحله‌ای انجام می‌شود.

2. تولید شیمیایی (Hydration)

در این روش، اتانول از طریق واکنش افزودن آب به اتیلن (ماده‌ای که در صنعت پتروشیمی تولید می‌شود) به دست می‌آید:

 C2H4 (اتیلن) + H2O → C2H5OH (اتانول)

این روش به مراتب پرسرعت‌تر بوده و از منابع نفتی استفاده می‌کند، بنابراین چندان «زیستی» محسوب نمی‌شود اما همچنان به دلیل هزینه کمتر در برخی مناطق کاربرد دارد.

ویژگی‌های فنی اتانول به عنوان سوخت خودرو

اتانول به دلیل ساختار شیمیایی مناسب، از نظر انرژی و احتراق بسیار مطلوب است و به‌همین دلیل در صنعت خودروسازی به‌عنوان یکی از سوخت‌های جایگزین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

عدد اکتان و توان احتراقی

عدد اکتان اتانول در حدود 108 تا 113 است که این عدد بسیار بالاتر از بنزین معمولی (که حدود 87 تا 95 است) می‌باشد. عدد اکتان بالا به معنای مقاومت بیشتر سوخت در برابر ضربه یا «ناک» (Knocking) است که به بهبود عملکرد موتور و افزایش راندمان سوخت کمک می‌کند.

انرژی حرارتی ویژه

مقدار انرژی تولیدشده از سوختن کامل یک لیتر اتانول حدوداً 21.1 مگاجول است، این در حالی است که همین میزان بنزین انرژی حدود 32 مگاجول تولید می‌کند. بنابراین در اتانول انرژی حجمی پایین‌تر وجود دارد و مصرف سوخت در خودروهای با سوخت اتانول معمولاً بیشتر است.

خواص احتراقی و دمای شعله

• دمای شعله اتانول نسبت به بنزین پایین‌تر است (حدود 1926 درجه سانتی‌گراد)
• شتاب احتراق نسبتاً پیچیده و ملایم‌تر که منجر به کاهش آلاینده‌های ذرات معلق می‌شود

مزایای استفاده از اتانول به عنوان سوخت

استفاده از اتانول در خودروها مزایای متعددی دارد که در این بخش به تفصیل به آنها می‌پردازیم.

1. کاهش آلایندگی

یکی از مهم‌ترین دلایل حمایت از سوخت‌های زیستی مانند اتانول، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای است. اتانول در مقایسه با بنزین، انتشار میزان کربن دی‌اکسید خالص روحیات کمتری دارد. همچنین انتشار مونواکسید کربن (CO)، هیدروکربن‌های غیر بسوزانده و ذرات معلق کاهش می‌یابد.

2. منابع تجدیدپذیر و دسترسی فراوان

اتانول عمدتاً از منابع زیستی و کشاورزی تولید می‌شود که قابلیت باززایی دارند. برخلاف سوخت‌های فسیلی که با گذشت زمان ذخایرشان کاهش می‌یابد، اتانول از طریق کشت مجدد محصولات کشاورزی می‌تواند به‌طور مداوم تامین شود.

3. افزایش عدد اکتان سوخت ترکیبی

می‌توان اتانول را در ترکیب با بنزین (مثلاً بنزین E10 یا E85 که به‌ترتیب شامل 10٪ و 85٪ اتانول است) استفاده کرد که موجب افزایش عدد اکتان و بهبود عملکرد موتور می‌شود.

4. کاهش وابستگی به نفت خام

با استفاده از اتانول از منابع کشاورزی، وابستگی به نفت خام و واردات آن کاهش می‌یابد که از نظر اقتصادی و امنیت انرژی اهمیت دارد.

معایب و محدودیت‌های سوخت اتانول

هرچند مزایای سوخت اتانول خیلی مهم است، اما دارای محدودیت‌ها و چالش‌هایی نیز می‌باشد که در ادامه مرور می‌کنیم.

1. مصرف بالاتر سوخت

به دلیل اینکه ارزش انرژی حجمی اتانول کمتر از بنزین است، خودروهایی که با سوخت خالص اتانول کار می‌کنند مصرف سوخت بالاتری خواهند داشت. معمولاً تا 30٪ مصرف سوخت افزایش می‌یابد که ممکن است برای کاربرد روزمره اقتصادی نباشد.

2. مشکلات خوردگی و ثبات مواد

اتانول می‌تواند با برخی قطعات موتور و سیستم سوخت‌رسانی واکنش داده و باعث خوردگی و آسیب شود. بنابراین خودروها و سیستم‌های سوخت‌رسانی باید برای استفاده از اتانول مقاوم‌سازی شوند. همچنین اتانول به دلیل خاصیت جاذب رطوبت، ممکن است باعث جذب آب و کاهش کیفیت سوخت شود.

3. استفاده محدود در دماهای پایین

در شرایط هوایی سرد، اتانول تمایل به یخ‌زدگی دارد و به همین علت ممکن است استفاده از آن در برخی مناطق سردسیر با مشکلاتی مواجه شود.

4. رقابت با تولید مواد غذایی

تولید اتانول از محصولات کشاورزی مثل ذرت یا نیشکر می‌تواند منابع غذایی و زمین‌های کشاورزی را تحت فشار قرار دهد و منجر به افزایش قیمت مواد غذایی شود که مسئله‌ای مهم از جنبه امنیت غذایی است.

کاربردهای سوخت اتانول در صنعت خودرو

اتانول به صورت مستقیم یا به صورت مخلوط با بنزین کاربردهای متنوعی در خودروها داشته است:

1. خودروهای مجهز به سیستم چند سوخته (FFV)

این خودروها قادرند با درصدهای مختلف اتانول بنزین (از 0 تا 85 درصد) کار کنند بدون اینکه نیاز به تغییرات اساسی روی موتور باشد. این فناوری در کشورهای مختلفی مثل آمریکا و برزیل توسعه یافته است.

2. اتانول به عنوان افزودنی بنزین

ترکیباتی مثل E10 (10٪ اتانول + 90٪ بنزین) به‌عنوان سوخت استاندارد در بسیاری از نقاط جهان استفاده می‌شود که عملکرد سوخت را بهبود داده و میزان آلایندگی را کاهش می‌دهد.

3. سوخت اتانول خالص (E85)

در برخی خودروهای خاص که برای سوخت‌رسانی اتانول خالص توسعه یافته‌اند، استفاده از اتانول 85٪ بسیار رایج است. این سوخت غالباً در خودروهای مسابقه‌ای و برخی خودروهای سبک پارک شده کاربرد دارد.

جمع‌بندی و چشم‌انداز آینده اتانول به عنوان سوخت

اتانول به عنوان یک سوخت زیستی با مزایایی همچون تجدیدپذیری، کاهش آلایندگی و افزایش عدد اکتان، نقش مهمی در آینده صنعت حمل و نقل ایفا می‌کند. اما مشکلاتی مانند مصرف سوخت بالاتر، محدودیت‌های زیست‌محیطی نسبت به زمین و محصول کشاورزی و مشکلات سیستم سوخت‌رسانی باید با فناوری‌های نوین حل شود.

پیشرفت در فناوری تولید اتانول از منابع غیرخوراکی (مانند بیومس‌های سلولزی و زباله‌های کشاورزی) و توسعه زیرساخت‌های مقاوم‌تر در خودروها نویدبخش استفاده گسترده‌تر و موثرتر از این سوخت است. در نهایت، اتانول کلیدی مهم در مسیر گذار از سوخت‌های فسیلی به انرژی‌های پاک محسوب می‌شود.

منابع

• U.S. Department of Energy, Alternative Fuels Data Center
• International Energy Agency (IEA) Bioenergy Reports
• “Fuel Ethanol Production Process,” Renewable Fuels Association
• “Ethanol as a Fuel - Properties and Applications,” Journal of Renewable Energy