وقود الكحول

تُستخدم أنواع مختلفة من الكحولات كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي . وتُعدّ الكحولات الأليفاتية الأربعة الأولى ( الميثانول ، والإيثانول ، والبروبانول ، والبيوتانول ) ذات أهمية كوقود نظرًا لإمكانية تصنيعها كيميائيًا أو بيولوجيًا، فضلًا عن خصائصها التي تُتيح استخدامها في محركات الاحتراق الداخلي. الصيغة _{الكيميائية} العامة لوقود الكحول هي CₙH₂ₙ₊₁OH _.

يُنتج معظم الميثانول من الغاز الطبيعي، مع إمكانية إنتاجه من الكتلة الحيوية باستخدام عمليات كيميائية مشابهة. أما الإيثانول، فيُنتج عادةً من مواد بيولوجية عبر عمليات التخمير . يتميز البيوتانول الحيوي في محركات الاحتراق الداخلي بكثافة طاقة أقرب إلى البنزين مقارنةً بالكحولات الأبسط (مع احتفاظه برقم أوكتان أعلى بنسبة تزيد عن 25%)؛ إلا أن إنتاج البيوتانول الحيوي حاليًا أصعب من إنتاج الإيثانول أو الميثانول. تُعرف الكحولات المُستخلصة من مواد بيولوجية و/أو عمليات بيولوجية باسم الكحولات الحيوية (مثل "الإيثانول الحيوي"). لا يوجد فرق كيميائي بين الكحولات المُنتجة بيولوجيًا والكحولات المُنتجة كيميائيًا.

تتمثل إحدى المزايا المشتركة بين أنواع الوقود الكحولي الأربعة الرئيسية في ارتفاع رقم الأوكتان . وهذا بدوره يزيد من كفاءة استهلاك الوقود ويعوض إلى حد كبير انخفاض كثافة الطاقة في وقود المركبات الكحولي (مقارنة بالبنزين والديزل)، مما ينتج عنه "اقتصاد مماثل في استهلاك الوقود" من حيث المسافة المقطوعة لكل لتر، أو الأميال المقطوعة لكل جالون.

يمكن استخلاص كل من الميثانول والإيثانول من الوقود الأحفوري ، أو الكتلة الحيوية، أو من ثاني أكسيد الكربون والماء. يُنتج الإيثانول عادةً عن طريق تخمير السكريات، بينما يُنتج الميثانول عادةً من غاز التخليق، ولكن توجد طرق حديثة للحصول على هذين النوعين من الوقود. يمكن استخدام الإنزيمات بدلاً من التخمير. الميثانول جزيء أبسط، ويمكن إنتاج الإيثانول منه. يُمكن إنتاج الميثانول صناعياً من أي نوع تقريباً من الكتلة الحيوية، بما في ذلك مخلفات الحيوانات، أو من ثاني أكسيد الكربون والماء أو البخار عن طريق تحويل الكتلة الحيوية أولاً إلى غاز التخليق في وحدة التغويز . كما يُمكن إنتاجه في المختبر باستخدام التحليل الكهربائي أو الإنزيمات. ^{[ 1 ]}

يتمتع كل من الميثانول والإيثانول، كوقود، بمزايا وعيوب مقارنةً بالوقود الآخر كالبنزين والديزل . في محركات الاحتراق الداخلي، يمكن لكلا الكحولين العمل بمعدلات إعادة تدوير غازات العادم ونسب انضغاط أعلى . يتميز كلا الكحولين برقم أوكتان مرتفع، حيث يبلغ رقم ​​أوكتان الإيثانول 109 (RON ) ورقم أوكتان المحرك 90 (MON ) (أي ما يعادل 99.5 AKI )، بينما يبلغ رقم ​​أوكتان الميثانول 109 (RON) و89 (MON) (أي ما يعادل 99 AKI). ^{[ 2 ]} تجدر الإشارة إلى أن AKI يشير إلى " مؤشر مقاومة الطرق "، وهو متوسط ​​رقمي الأوكتان (RON+MON)/2، ويُستخدم في مضخات محطات الوقود الأمريكية. أما البنزين الأوروبي العادي، فيبلغ رقم ​​أوكتانه 95 (RON) و85 (MON)، أي ما يعادل 90 AKI. باعتبارهما وقودًا لمحركات الاحتراق بالضغط، فإن كلا الكحولين ينتجان عددًا قليلًا جدًا من الجسيمات، ولكن انخفاض رقم السيتان الخاص بهما يعني أنه يجب خلط محسن الاشتعال مثل الجليكول في الوقود بنسبة 5٪ تقريبًا.

عند استخدامها في محركات الاحتراق الداخلي، تتمتع الكحولات بالقدرة على تقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين ، وأول أكسيد الكربون ، والهيدروكربونات ، والجسيمات. أظهر اختبار أُجري على سيارات شيفروليه لومينا التي تعمل بوقود E85 ^{انخفاضًا في} انبعاثات الهيدروكربونات غير الميثانية ^{بنسبة 20-22%، وأكاسيد النيتروجين بنسبة 25-32% ، وأول} أكسيد الكربون بنسبة 12-24% مقارنةً بالبنزين المُعاد تركيبه. كما انخفضت الانبعاثات السامة للبنزين و1،3-بيوتادين ^، بينما زادت انبعاثات الألدهيدات، وخاصةً الأسيتالدهيد .

كما تنخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من أنابيب العادم _بسبب انخفاض نسبة الكربون إلى الهيدروجين في هذه الكحولات، وتحسين كفاءة المحرك.

يحتوي وقود الميثانول والإيثانول على ملوثات ذائبة وغير ذائبة. ^{[ 5 ]} تؤثر أيونات الهاليد ، وهي ملوثات ذائبة مثل أيونات الكلوريد، بشكل كبير على قابلية وقود الكحول للتآكل. تزيد أيونات الهاليد من التآكل بطريقتين: فهي تهاجم كيميائيًا طبقات الأكسيد الواقية على العديد من المعادن، مما يسبب تآكلًا نقريًا، كما أنها تزيد من موصلية الوقود. تعزز زيادة الموصلية الكهربائية التآكل الكهربائي والجلفاني والعادي في نظام الوقود. تتسبب الملوثات الذائبة، مثل هيدروكسيد الألومنيوم، وهو ناتج عن تآكل أيونات الهاليد، في انسداد نظام الوقود بمرور الوقت.

لمنع التآكل، يجب أن يُصنع نظام الوقود من مواد مناسبة، وأن تكون الأسلاك الكهربائية معزولة بشكل صحيح، وأن يكون مستشعر مستوى الوقود من نوع النبض والتثبيت المغناطيسي المقاوم أو أي نوع مشابه لا يتطلب التلامس. إضافةً إلى ذلك، يجب أن يحتوي الكحول عالي الجودة على تركيز منخفض من الملوثات وأن يُضاف إليه مثبط تآكل مناسب. تشير الأدلة العلمية إلى أن الماء يُعد مثبطًا للتآكل الناتج عن الإيثانول. ^{[ 6 ]}

أُجريت التجارب باستخدام وقود E50، وهو أكثر فعالية في إحداث التآكل، مما يُسرّع من حدوثه. من الواضح أنه بزيادة نسبة الماء في وقود الإيثانول، يُمكن تقليل التآكل. عند نسبة 2% أو 20,000 جزء في المليون من الماء في وقود الإيثانول، توقف التآكل. وتماشياً مع الملاحظات في اليابان، يُعرف أن الإيثانول المائي أقل تآكلاً من الإيثانول اللامائي. آلية التفاعل هي: 3 EtOH + Al → Al(OEt) ₃ + ½ _H₂ عند _نسب الخلط المتوسطة إلى المنخفضة. عندما تكون كمية الماء كافية في الوقود، يتفاعل الألومنيوم بشكل أساسي مع الماء لإنتاج Al₂O₃ _{، مما} يُصلح طبقة أكسيد الألومنيوم الواقية. لا يُشكّل ألكوكسيد الألومنيوم طبقة أكسيد متماسكة ؛ فالماء ضروري لإصلاح الثقوب في طبقة الأكسيد.

لا يتوافق الميثانول والإيثانول مع بعض البوليمرات. يتفاعل الكحول مع البوليمرات مسببًا انتفاخها، ومع مرور الوقت، يُفكك الأكسجين الروابط الكربونية في البوليمر، مما يؤدي إلى انخفاض قوة الشد. مع ذلك، صُممت معظم السيارات خلال العقود القليلة الماضية لتحمل نسبة إيثانول تصل إلى 10% (E10) دون مشاكل. يشمل ذلك توافق نظام الوقود وتعويض نسبة الهواء إلى الوقود في محركات حقن الوقود المزودة بنظام تحكم مغلق. في بعض المحركات، قد يُؤدي الإيثانول إلى تدهور بعض تركيبات مكونات توصيل الوقود البلاستيكية أو المطاطية المصممة للبنزين التقليدي، وقد لا يتمكن أيضًا من تعويض نسبة الهواء إلى الوقود بشكل صحيح.

تتميز سيارات "FlexFuel" بنظام وقود ومكونات محرك مُحسّنة مصممة لتدوم طويلاً باستخدام وقود E85 أو M85، كما يمكن لوحدة التحكم الإلكترونية (ECU) التكيف مع أي مزيج وقود بين البنزين ووقود E85 أو M85. تشمل التحسينات النموذجية تعديلات على: خزانات الوقود، والأسلاك الكهربائية لخزانات الوقود، ومضخات الوقود، وفلاتر الوقود، وخطوط الوقود، وأنابيب التعبئة، ومستشعرات مستوى الوقود، وحاقنات الوقود، والحلقات المانعة للتسرب، وقضبان الوقود، ومنظمات ضغط الوقود، ومقاعد الصمامات، وصمامات السحب. أما سيارات "Total Flex" المخصصة للسوق البرازيلية، فيمكنها استخدام وقود E100 (إيثانول نقي 100%).

يُطلق لتر واحد من الإيثانول 21.1 ميغا جول عند احتراقه، بينما يُطلق لتر واحد من الميثانول 15.8 ميغا جول، ويُطلق لتر واحد من البنزين حوالي 32.6 ميغا جول. بعبارة أخرى، للحصول على نفس كمية الطاقة الموجودة في لتر واحد من البنزين، نحتاج إلى 1.6 لتر من الإيثانول و2.1 لتر من الميثانول. مع ذلك، فإن أرقام الطاقة لكل وحدة حجم تُعطي أرقامًا مُضللة لاستهلاك الوقود، لأن محركات الوقود الكحولي يُمكن تحسين كفاءتها في استهلاك الطاقة بشكل كبير. إذ يُمكن تحويل نسبة أكبر من الطاقة الناتجة عن احتراق لتر واحد من الوقود الكحولي إلى شغل مفيد. هذا الفرق في الكفاءة يُمكن أن يُعادل جزئيًا أو كليًا الفرق في كثافة الطاقة، وذلك بحسب نوع المحرك المُقارن.

طُرح وقود الميثانول كوقود حيوي مستقبلي، وغالبًا ما يُستخدم كبديل لاقتصاد الهيدروجين . للميثانول تاريخ طويل كوقود لسباقات السيارات. فقد استُخدمت مخاليط الميثانول في سباقات الجائزة الكبرى المبكرة، بالإضافة إلى الميثانول النقي. وكان استخدامه شائعًا في أمريكا الشمالية بعد الحرب. مع ذلك، اعتمد الميثانول المستخدم في السباقات بشكل كبير على الميثانول المُنتج من الغاز التخليقي المُستخلص من الغاز الطبيعي، ولذلك لا يُعتبر هذا الميثانول وقودًا حيويًا. لكن يُمكن اعتبار الميثانول وقودًا حيويًا عندما يُستخلص الغاز التخليقي من الكتلة الحيوية .

نظرياً، يمكن إنتاج الميثانول أيضاً من الكتلة الحيوية المستدامة المصدر، ومن ثاني أكسيد الكربون في نهاية المطاف، وعن طريق التحليل الكهربائي للهيدروجين باستخدام الطاقة النووية أو الطاقة الحرارية الأرضية أو أي مصدر آخر للطاقة المتجددة (انظر: Carbon Recycling International ). بالمقارنة مع الإيثانول الحيوي، تتمثل الميزة الأساسية لوقود الميثانول الحيوي في كفاءته العالية في دورة الإنتاج الكاملة. وهذا ذو أهمية خاصة في المناخات المعتدلة حيث تُستخدم الأسمدة لزراعة محاصيل السكر أو النشا لإنتاج الإيثانول، بينما يمكن إنتاج الميثانول من الكتلة الحيوية الليغنوسليلوزية (الخشبية) غير المخصبة.

يُستخدم الإيثانول على نطاق واسع كمادة مضافة للوقود ، ويتزايد استخدامه كوقود بمفرده أو كجزء من مزيج مع البنزين. مقارنةً بالميثانول، تتمثل ميزته الأساسية في كونه أقل تآكلًا وغير سام، على الرغم من أنه يُنتج بعض الانبعاثات السامة. منذ عام 2007، اعتمدت سلسلة سباقات إندي كار الإيثانول كوقود حصري لها، بعد 40 عامًا من استخدام الميثانول. ^{[ 7 ]} ومنذ سبتمبر 2007، أُلزمت محطات الوقود في ولاية نيو ساوث ويلز الأسترالية بتزويد جميع سياراتها بالبنزين الذي يحتوي على نسبة 2% من الإيثانول. ^{[ 8 ]}

يُعدّ البروبانول والبيوتانول أقل سميةً وتقلبًا من الميثانول. يتميز البيوتانول تحديدًا بنقطة اشتعال عالية تبلغ 35 درجة  مئوية، مما يُفيد في السلامة من الحرائق، ولكنه قد يُصعّب تشغيل المحركات في الطقس البارد. مع ذلك، لا ينطبق مفهوم نقطة الاشتعال مباشرةً على المحركات، إذ أن ضغط الهواء في الأسطوانة يعني أن درجة الحرارة تصل إلى عدة مئات من الدرجات المئوية قبل حدوث الاشتعال.

تُعدّ عمليات التخمير لإنتاج البروبانول والبيوتانول من السليلوز معقدةً نوعًا ما، ويُنتج كائن وايزمان ( كلوستريديوم أسيتوبوتيلكوم ) المستخدم حاليًا في هذه العمليات رائحةً كريهةً للغاية؛ لذا يجب مراعاة ذلك عند تصميم وتحديد موقع مصنع التخمير. يموت هذا الكائن أيضًا عندما يرتفع محتوى البيوتانول في المادة التي يُخمّرها إلى 2%. ^{[ 9 ]} وللمقارنة، تموت الخميرة عندما يصل محتوى الإيثانول في مادتها الأولية إلى 14%. تستطيع سلالات متخصصة تحمّل تركيزات أعلى من الإيثانول - إذ يمكن لما يُسمى بالخميرة فائقة المقاومة تحمّل ما يصل إلى 16% من الإيثانول. ^{[ 10 ]} مع ذلك، إذا أمكن تعديل خميرة ساكاروميسيس العادية لتحسين مقاومتها للإيثانول، فقد يتمكن العلماء يومًا ما من إنتاج سلالة من كائن وايزمان بمقاومة للبيوتانول أعلى من الحد الطبيعي البالغ 7%. سيكون هذا مفيدًا لأن البيوتانول يتمتع بكثافة طاقة احتراق أعلى من الإيثانول، ولأن ألياف النفايات المتبقية من محاصيل السكر المستخدمة في صنع الإيثانول يمكن تحويلها إلى بيوتانول، مما يزيد من إنتاج الكحول من محاصيل الوقود دون الحاجة إلى زراعة المزيد من المحاصيل.

على الرغم من هذه العيوب، أعلنت شركتا دوبونت وبي بي مؤخرًا أنهما ستبنيان معًا محطة تجريبية صغيرة الحجم لإنتاج وقود البيوتانول ^{[ 11 ]} إلى جانب محطة الإيثانول الحيوي الكبيرة التي تقومان بتطويرها بشكل مشترك مع شركة أسوشيتد بريتيش فودز .

طورت شركة Energy Environment International طريقة لإنتاج البيوتانول من الكتلة الحيوية، والتي تتضمن استخدام نوعين منفصلين من الكائنات الحية الدقيقة بالتتابع لتقليل إنتاج الأسيتون والإيثانول كمنتجين ثانويين. ^{[ 12 ]}

تستخدم شركة بوتالكو السويسرية تقنية خاصة لتعديل الخمائر بهدف إنتاج البيوتانول بدلاً من الإيثانول. تتمتع الخمائر، ككائنات منتجة للبيوتانول، بمزايا حاسمة مقارنة بالبكتيريا. ^{[ 13 ]}

_احتراق البيوتانول: _C₄H₉OH + _6O₂ → 4CO₂ + _5H₂O + _حرارة

احتراق البروبانول: _2C₃H₇OH + _9O₂ → _{6 CO₂} + _8H₂O + حرارة

لا يُستخدم البروبانول (C₃H₇OH)، وهو كحول ثلاثي الكربون _، عادةً كمصدر وقود مباشر لمحركات البنزين ( _على عكس الإيثانول والميثانول والبيوتانول)، إذ يُستخدم معظمه كمذيب. مع ذلك، يُستخدم كمصدر للهيدروجين في بعض أنواع خلايا الوقود؛ حيث يُمكنه توليد جهد كهربائي أعلى من الميثانول، وهو الوقود المُفضّل لمعظم خلايا الوقود الكحولية. ولكن، نظرًا لصعوبة إنتاج البروبانول مقارنةً بالميثانول (بيولوجيًا أو من النفط)، تُفضّل خلايا الوقود التي تستخدم الميثانول على تلك التي تستخدم البروبانول.

• البنك الدولي، الوقود الحيوي: الوعد والمخاطر. تقرير التنمية العالمية 2008: الزراعة من أجل التنمية
• إنتاج البيوتانول الحيوي بواسطة مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة .
• http://www.greencarcongress.com/biobutanol/index.html مؤرشف بتاريخ 2015-04-02 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine)
• https://web.archive.org/web/20080528051420/http://www.ethanol.org/pdf/contentmgmt/2007_Ethanol_Fact_Book.pdf