E-Fuel 100 to pierwsza na świecie mikrorafineria etanolu przeznaczona do użytku przez konsumentów.
Nowy rodzaj stacji benzynowej już niedługo może pojawić się na podwórku w Twojej okolicy, a być może nawet na Twoim własnym. Stacje te wprowadzą całkiem nowe znaczenie do słowa „samoobsługa”, ponieważ kierowcy będą mogli nie tylko pompować własne paliwo — w tym przypadku etanol — ale również wytwarzać je ze zwykłego cukru, czy nawet z pozostałości kilku koktajli.
Samodzielna mikrorafineria etanolu, zwana E-Fuel 100, przeznaczona jest dla konsumentów pragnących ograniczyć ilość zużywanego przez siebie paliwa poprzez dopełnianie zbiorników etanolem domowej produkcji. Cały system zajmuje podobną ilość miejsca co konwencjonalna pompa paliwowa, a nawet przypomina nieco taką pompę wyglądem, jeśli wziąć pod uwagę wąż, dyszę i ekran LCD.
Kiedy jednak zajrzy się do wnętrza obudowy E-Fuel, znaleźć można technologie zautomatyzowanej fermentacji oraz destylacji monolitycznej, dzięki którym produkcja etanolu w domu to będzie pestka. Zainwestować trzeba w cukier, wodę, drożdże i zasilanie, a otrzymujemy etanol i wodę. To takie proste – twierdzi Tom Quinn, przedsiębiorca z Silicon Valley, który stworzył E-Fuel w 2007 r. wraz z naukowcem zajmującym się etanolem Floydem Butterfieldem.
Według Quinna, który najlepiej znany jest z wynalezienia technologii służącej do kontroli ruchu wykorzystywanej w Nintendo Wii, system ten jest w stanie produkować ok. 19 litrów etanolu dziennie, przy czym wytworzenie tej ilości wymagać będzie od 4,5 do 6,4 kg cukru. Odpowiedni jest cukier z buraków, trzciny, kukurydzy, czy nawet z celulozy. Urządzenie działa przy standardowym zasilaniu z sieci o napięciu 110 lub 220 V i zazwyczaj zużywa ok. 150 W prądu dziennie. E-Fuel potrzebuje ok. tygodnia, by wyprodukować partię ponad 130 litrów etanolu z cukru. Jeśli jako surowiec zastosowany zostanie alkohol, proces trwa krócej, pozwalając na produkcję 265 litrów tygodniowo. System, który trafi na rynek pod koniec roku, kosztować będzie 9 995 USD.
Quinn szacuje, że w momencie, gdy użytkownicy zaczną wykorzystywać oczekiwane dotacje na cukier i kredyty wyrównawcze związane z węglem, całkowity koszt paliwa wynosić będzie ostatecznie poniżej 26 centów (US) za jeden litr. Jeszcze korzystniej będzie to wypadało w przypadku alkoholu, dzięki któremu koszt jednego litra spada do ok. 3 centów.
Niezależnie od surowca, kierowcy zazwyczaj mieszać będą etanol z benzyną od razu w zbiorniku paliwa, przy czym zawartość etanolu wynosić będzie nawet 65 procent w przypadku nowoczesnych niezmodyfikowanych silników. Ludziom wydaje się, że potrzebna jest krajowa, warta miliard dolarów infrastruktura, żeby można było zacząć mieszać etanol z benzyną, ale nie jest to prawda. Substancje te mieszają się całkiem dobrze w zbiorniku paliwa – dodaje.
Produkcja etanolu zazwyczaj odbywa się w olbrzymich wytwórniach komercyjnych prowadzonych przez inżynierów chemików, dlatego zaprojektowanie prostego i bezpiecznego systemu, który mógłby być eksploatowany przez konsumentów, nie stanowiło łatwego zadania. W rzeczywistości Butterfield i Quinn musieli dokładnie przemyśleć, w jaki sposób miałaby przebiegać fermentacja i destylacja na małą skalę, a także opracować układ kontroli, dzięki któremu procesy te stałyby się jasne dla użytkownika. Obmyślony przez nich system w niektórych aspektach ma więcej wspólnego z urządzeniem elektronicznym, niż z konwencjonalną rafinerią.
Przełomy w zakresie warzenia domowej mikstury
Innowacje technologiczne E-Fuel zaczynają się na etapie fermentacji, podczas której specjalnie dobrany szczep drożdży, opracowany przez Butterfielda, zamienia cukier w alkohol. Fermentacja znana jest od 2 000 lat i przez ten czas nie zmieniła się zbytnio – twierdzi Quinn. Jednak E-Fuel naprawdę zmienia postać rzeczy, jeśli zastanowić się nad tym, w jaki sposób urządzenie to podtrzymuje idealne warunki fermentacji bez jakiegokolwiek wkładu — czy zgadywania — ze strony użytkownika.
Jak wyjaśnia Quinn, E-Fuel sprawia, że drożdże są zadowolone i głodne na kilka sposobów. Jednym z nich jest dokładna kontrola ilości elementów surowca, jakie dostarczane są do systemu. Czujniki obciążenia mierzą ilość cukru, czy resztek alkoholu, jakie dodawane są do systemu. Następnie system oblicza, ile wody i drożdży użytkownik musi dodać, aby uzyskać idealny proces fermentacji.
Innym zabiegiem służącym drożdżom jest ścisła kontrola temperatury. Urządzenia E-Fuel wyposażone są w opatentowane termoelektryczne układy chłodzące oraz w olejowy wymiennik ciepła, utrzymujący temperaturę poniżej 36o C, czyli punktu, w którym kultura drożdży zacznie wymierać. W zimę to samo urządzenie termoelektryczne podgrzewa drożdże w miarę potrzeb. Urządzenia te mogą wewnętrznie przełączać się pomiędzy ogrzewaniem i chłodzeniem w ciągu mikrosekund. Quinn przekonuje, że elementy sterowania E-Fuel przesyłają sygnał PWM do urządzenia termoelektrycznego, zmieniając jego biegunowość, by przełączyć je z trybu ogrzewania w tryb chłodzenia. Quinn twierdzi, że system potrafi utrzymać temperaturę do 3 stopni.
W zapowiedzianej wersji systemu Quinn i Butterfield udoskonalili nawet fizyczną konstrukcję samego zbiornika. Sztywny zbiornik instalowany w najwcześniejszych prototypach E-Fuel został zastąpiony zbiornikiem elastomerowym, który rozszerza się lub kurczy, zależnie od ilości surowca, likwidując w ten sposób przestrzeń znajdującą się u góry zbiornika Mogłaby ona przeszkadzać w stworzeniu idealnych warunków fermentacji.
Przełomy techniczne związane z E-Fuel rozciągają się również na zachodzący w systemie etap destylacji. Podobnie jak komercyjne urządzenia do destylacji, system oddziela alkohol od wody. W przeciwieństwie do systemów komercyjnych, które posiadają wiele kolumn destylacyjnych służących do gotowania i usuwania wody w kolejnych etapach, E-Fuel wykorzystuje pojedynczą, monolityczną kolumnę destylacyjną. Zupełnie nie wymaga przy tym spalania. Spalanie stanowiło poważną przeszkodę z punktu widzenia bezpieczeństwa – dodaje Quinn.
Zamiast wygotowywać wodę, E-Fuel oddziela ją od alkoholu, wykorzystując ciśnienie i membranę z otworami w skali nano. Molekuły wody są przeciskane przez membranę, a większe molekuły alkoholu pozostają wewnątrz kolumny – nadmienia Quinn.
Ostatni element pakietu technologii E-Fuel ma związek z elementami sterowania. Procesor ARM zarządza całością, a Quinn twierdzi, że obsługuje on 60 kanałów danych — włącznie z wejściami i wyjściami przypisanymi do czujników obciążenia i temperatury.
Aby procesy fermentacji i destylacji mogły być autonomiczne, a tym samym jasne dla użytkownika, Butterfield wykonał dokładną analizę funkcjonowania fizycznego systemu E-Fuel. Analiza taka obejmowała przełożenie wszystkich działań podjętych przez eksperta ręcznie kontrolującego system na algorytmy oprogramowania, wykonywane przez mikroprocesor. Użytkownik naprawdę nie musi kręcić żadnym pokrętłem. Sterownik zajmuje się wszystkim, poza dodawaniem cukru, czy pompowaniem alkoholu – stwierdza Quinn.
Strona fi nansowa małej skali
Zastosowanie mikroprocesora, jaki często obecny jest w konsumenckich produktach elektronicznych, podkreśla istotny aspekt konstrukcji E-Fuel: jego mały rozmiar umożliwił wykorzystanie ekonomicznych, wydajnych technologii, które nie byłyby możliwe do zastosowania na skalę przemysłową. Quinn nazywa to „magią skali mikro”. Podkreśla, że mikroprocesor ARM wykorzystany w E-Fuel kosztuje ok. 100 USD, a układy sterujące stosowane w wytwórniach przemysłowych mogą dochodzić do ponad setek tysięcy dolarów. Pochodzimy ze świata w skali mikro Silicon Valley i byliśmy w stanie wykorzystać całą moc obliczeniową opracowywaną dla produktów konsumenckich – dodaje.
Innym przykładem tej magii jest zastosowanie membrany oddzielającej z otworami w skali mikro, projektu niemożliwego obecnie do wykorzystania na skalę przemysłową. Umożliwia ona nie tylko destylację bez potrzeby gotowania, ale ma również zalety jakościowe. Quinn twierdzi, że uzyskiwany jest tu etanol o czystości dochodzącej do 99 procent, podczas gdy wytwórnie przemysłowe uzyskują nie więcej, niż 96 procent. Jakość jest nieprawdopodobna. Uzyskujemy lepsze paliwo, niż są w stanie wyprodukować wytwórnie przemysłowe – stwierdza.
Wiele dyskusji na temat opłacalności etanolu jako paliwa alternatywnego opierało się do tej pory na założeniach, że musiałby on być produkowany w przemysłowych fabrykach produkcyjnych. Jednak Quinn twierdzi, że produkcja etanolu na mniejszą skalę jest dużo bardziej ekonomiczna.
Szacowana przez niego cena 26 centów za jeden litr opiera się na założeniach dotyczących uwolnienia przez rząd nadwyżki cukru z przeznaczeniem na produkcję etanolu po cenie 4,5 centów za kilogram, a także na dostępności kredytów wyrównawczych związanych z węglem dla każdego, kto wytwarza własny etanol.
Jednak technologia E-Fuel nie musi być rozpatrywana jedynie w kontekście ceny za litr, która może ulegać zmianom: zamiast tego może być rozpatrywana w kontekście energii potrzebnej do wytworzenia etanolu. Kukurydza tak naprawdę nie jest najlepszym surowcem do produkcji etanolu. Jest nim cukier – stwierdza Quinn, podając zapotrzebowania na energię oraz infrastrukturę konieczne do zamiany skrobi kukurydzianej w cukier, zanim można rozpocząć fermentację. Quinn uważa, że system E-Fuel jest osiem razy bardziej wydajny, niż systemy komercyjne, jeśli spojrzeć na niego przez pryzmat energii potrzebnej do wytworzenia etanolu.
dn
