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1、标题：美国大规模生产分销乙醇对经济和环境交通的影响作者：Heather L. Wakeley, Chris T. Hendrickson, W. Michael Griffin 和 H. Scott MatthewsDepartments of Civil and Environmental Engineering and Engineering and Public Policy, and Tepper School of Business, Carnegie Mellon University, Pittsburgh Pennsylvania 15213 and TRC Energy Se
2、rvices, Ithaca, New York 14850文献出处：环境科学工程2009, 43 (7), pp 22282233关键词：乙醇、生产、运输、玉米、纤维摘要：结合当前和2007年计划，美国无水乙醇年产量为50000000L，这约为2007年EISA能源的三分之一，2022年生物燃料目标值为136000000L。这次研究评估交通基础设施对E85用于玉米和 混合乙醇的轻型车辆的需求的影响。无水乙醇的分布用线性最优化模型来模拟。无水乙醇的预计平均运输费在2005美元内，每升0.29到0.62美元（每加仑1.3到2.8美元）不等，因运输距离和方式的不同而不同。据估计在这个项目中运输无水
3、乙醇过程的排放气量将达到原来LCA的两倍这将导致生命周期更大的影响。到最终用户长距离的运输将使无水乙醇失去相对于汽油的经济和环境效益。物为以后无水乙醇的生产和使用建议地域集中使用E85混合物全文：从2005到2008年美国无水乙醇的生产力以32的年增长率增长，比汽油的消耗增长率高美国目前和计划的无水乙醇年产量为每年50000000升，按能量原理来计算的的话是2006年轻汽油消耗的7% 。2007年EISA要使用2022年从再生 生物质 中生产的136000，000公升燃料（36000,000加仑）。美国无水乙醇生产和使用的快速增长由主要因为基础设施的影响， 除了额外生产力的建设从原料到加工将导
4、致运输需求的增加。乙醇将大部分在中西部生产并需要运送很长的距离到沿海的主要需求中心。乙醇生产的增长将导致转变为玉米，生物质原料 ，乙醇，副产品运输需求的增长这将影响铁路运输，海运和公路运输。乙醇市场和运输需求的增长也必须与其他主要运输种类的明显增长相竞争。扩大乙醇使用的主要推动力是通过国内生产乙醇减少对从外国进口石油的依赖性。乙醇还有一个经济优势。提高石油费用和来保护外国防支出来保护外国的利益使的乙醇成为一个经济有效的选择为了使得再生燃料在EISA授权范围内基于2005年汽油排放的基线必须减少20的温室气体排放。2007年末USDA出版了一篇评估乙醇市场增长的带来的交通问题的报告。他们预测如果
5、玉米出口下降的话，农业方面对公路运输的需求将增加而铁路运输和海运需求将减少乙醇及其副产品 必须与全部需要运输的货物相竞争,并因对进口货物的消费和将其运到当地市场而更加激烈。紧接着一个有关于用E16低浓度乙醇混合物作燃料将玉米和 柳枝派生纤维素乙醇 运到全美国的经济性研究完成了。这项研究将乙醇的运输费用作为最优化系统约为0.02美元一升的E16比用同数量级的汽油每升0.003美元多一点。该研究考虑到原料费和运输费用对乙醇生产成本的影响，国内高浓度混合物的生产区的分布及环境的影响并附加了一个带有美国国内由玉米和纤维 制的乙醇的生产和分布的比较分析。该分析的目的是描述成本和环境影响对E85分布。E8
6、5之所以被用于此分析是因为它是当前柔性燃料车使用的最高浓度的混合物。此研究探索了三个不同的方案。.第一个短期玉米乙醇是一个最底线，考虑到57000,000公升玉米制乙醇的生产和分布类，这与美国现在允许的最高生产量相一致。显存的和计划的50，000，000的年生产能力都一致达到这个极限。按能量原理来计算的燃料生产量为2006年轻汽油的消耗量。基于2022年EISA 生物燃料授权第二个方案考虑到136000000公升的乙醇和56000000公升的无水乙醇的生产和分布。对于此分析假设剩余的是由从 生物质 生产的 纤维乙醇 提供的，尽管授权仅需要60000000公升的 然而其余的来自于其他先进的生物燃
7、料。最后一个方案考虑 纤维乙醇 大规模的生产总产量为268000000公升乙醇（70000000加仑表格 1. 方案一乙醇生产和分布评估 方案玉米乙醇(十亿 L)纤维乙醇(十亿L)替换石油FFVs required (百万)b短期玉米乙醇生产方案5708%252022年美国能源独立和安全授令578019%60大规模纤维乙醇生产5721036%120a 基于2006年轻型汽油消耗假设燃料经济20英里每加仑，12000每年 mi 而且FFVS只能使用E85.数据来源和方法以下讨论每个方案中用来评估交通需求和花费的方法和假设并在图形1中用模型来说明这些数据是用意大利文写的关于建模程序和假设的附加细节
8、可以再辅助信息中找到。图形1.模型中乙醇的分布玉米和生物质 生产的空间数据从EIA获得整个2030年的玉米和生物质乙醇的生产数据，数据时按政策分析模型计算的,这个数据是根据政策分析系统模型计算的 ，该模型是对美国的农业方面的模拟模型，能预测因政策、经济、资源、环境的改变造成的 影响。 模型允许农业供给、需求、收益各模块相互作用。这相互依存的模块模拟了美国305个 地区的玉米生产类似于农业统计（ASDS）政策分析系统 模型用来分析大规模能量农作物包括玉米 ，生物质，小麦秆，玉米秆 ，树枝烂叶 。EIA原料数据设定在给定地区的玉米和生物质 的生产。三个方案是从数据库中选出来的, 在这个研究的结尾处
9、有个敏感的分析用来判决不同空间原料分布 在S1中讨论了对于方案和敏感分析的选择问题。玉米乙醇的生产作为三个方案的基础的玉米乙醇的生产能力是EISA所允许的最大的。在195套设施中2007年末现存的和提议的生产力为每年50000000升需要现存和预计的生产能力都有增长12% 超过了中西部地区附加生产能力的93% 。在195套设施中2007年末现存的和提议的生产力为每年50000000升需要现存和预计的生产能力都有增长12% 超过了中西部地区附加生产能力的93%。该计算将在S1中讨论 。建立了一个线性模型用来将玉米从ASDA分配到乙醇设备中。该模型通过决定从ASDA分配到设备中的量缩短总系统的消耗
10、。下一个铁路运输玉米的目标函数 是mij：这里mij=从ASD运输的玉米量/到设备的量（吨）Ci =在ASD玉米的费用（美元/吨）, R = 铁路运输的费用（美元/吨/千米）, dij = 从ASD到设备的距离（千米）, 1.52 =铁轨迂回因素.受制于 Where此处 Mi = 从ASD获得的玉米量（吨）, Qj = 设备需求玉米量（吨）乙醇生产的现金操作费用和 副产品 是基于2002年USDA调查的乙醇生产费用。卡瓦特呈现了生产消耗模型参数改变的影响。纤维乙醇的生产待添加的隐藏文字内容1EISA2022年的授权和大规模乙醇生产方案将用柳枝生产纤维乙醇包括在内，假设可以从一公吨的柳枝中生产出
11、420升的乙醇（100加仑/吨）,假设乙醇炼制生产能力大约为2000吨到10000吨，而量的多少取决于给定的ASD的柳枝量。因为美国目前还没有工业规模的操作，将采用柳枝生产来降低运输成本，生物炼制的规模最终取决于运输成本的增加量，原料需求量越多，越多的地方需要提供这种原料，而这也导致了运输成本的增加。生产量划分后，可提供每天10000多吨柳枝的任务分配给了ASDS。柳枝是采用公路运输，估计玉米采用相同的方法。纤维乙醇的生产费用使用原来的研究来估算的，尽管借鉴了一些大规模生产的经验，从Aden中估算出生物炼制的费原料生产费用，这其中包括了原材料开销，税费。燃料需求美国所有燃料需求都分布在大城市或
12、者是统计区，80%的美国人定居在140000人口的268哥MSAS中。第二个最低线性优化模型是用来合理分配从工厂到这些MSAS乙醇的，这减少了总的成本，该模型中投资包括乙醇离厂费用（原料、生产费用）还有运输费用，该研究中乙醇运输被限定为两种方法，因为他们站乙醇总产量的90%，其他为海运。平均运输率是假定在没有交通堵塞的影响和大量运输折扣情况下。根据逻辑关系分析，少于400公里的运输最好使用公路运输。建立线性最优模型是为了通过决定从乙醇厂运到MSAKS的乙醇量来减少总成本的。目的是减少以下函数的综合其中1.23T djk400Km1.52R djk400KmFjk= qjk为从工厂运到的乙醇量（
13、L） cj为工作是乙醇成本（/L）T为公路运输费用（/L/Km）djk为工厂到MSA的距离，卡车迂回因数为1.23 根据其中Qj为工厂内乙醇量（L）Dk为MSAK处E85对乙醇需求量由于运输而产生的温室气体在此项研究中生活经济投入支出评估模型用来测量公里铁路运输气体排放量。优化模型的运费为1997美元，这也决定了EIO-LCA模型中公路铁路运输的排气量，该结果在LCA研究中公布了。乙醇成本预算EISA2022年限令方案中乙醇成本个分配结果在表2中呈现。一个州所需乙醇量使用阴影来表示的。268个MSAS最少成本方案中74个可得到所需乙醇，70个可部分得到而124个一点也没有分配到。原理乙醇生产地
14、的东西部沿海城市几乎不能分配到乙醇。具体的数据结果可在表2中看到。EISA2022限令方案中57000000000升玉米乙醇和80000000000升的纤维乙醇。3个方案中玉米运输并没有什么不同，这也就是说用柳枝生产乙醇并不会影响玉米生产乙醇的分布，公路运输铁路运输是从10到2000千米不等，平均距离为130千米，和110千米相应的运费为0.01和0.04美元每升。公路运输在洛瓦占主导运输距离多于400千米的玉米乙醇生产厂也可能因运费不同而采用铁路运输。该论文后即成本假定为公路运输。大多数玉米生产厂都建在玉米供给充足的地方，但195个厂中有四个运输距离多于1000千米。2022年美国授权和大规
15、模纤维乙醇方案中柳枝的运输距离差不多。运输距离为30到40千米不等，据估计平均运输距离为60千米成本大约在0.02美元每升。表2呈现了每个方案预计的乙醇需求分布。公路运输比例增加。短期玉米方案和2022美国授权方案中玉米乙醇分布类似，也可以看出纤维乙醇的生产是为了满足没有得到乙醇的MSAS的需要。表2 玉米和纤维乙醇运输需求所有费用在2005美元以内。表3可看到预计运输燃料成本的主要差异。条框图可看到所有MASA的E85价格范围。短期玉米乙醇方案中乙醇生产量从57000000生增加到2022年授权值但没有增加乙醇成本。这主要因为纤维乙醇的运输成本低，还有它是在东南部生产。由于大规模纤维乙醇生产
16、方案中柳枝生产量增加，空间上纤维乙醇生产集中了因此为了市场需求需要更长的运输距离。表3中我们可看到更高的石油价格，其中原料占所有汽油费用的68%与此相比在E85方案中为35%到50%，这两个方案中纤维乙醇生产提纯费用是短期玉米乙醇生产方案的3倍多。管道运输乙醇可减少运输成本但需要更多资金投入到建立新管道或者是改造旧管道中，大约为200000到500000美元。乙醇运输过程中温室气体的排放大多数温室气体排放是由于运输过程中产生的CO2，不管是公路运输还是铁路运输都造成了大量气体排放，结果显示由于乙醇运输而产生的温室气体量很可观。很多研究用GREET来估算运输距离或排放因数，其中驳船占40%，零售
17、占40%，公路运输占20%和我们的模型有相同的运输距离，运用份额制和运输距离假设，GREET算的气体排放因数为40.该研究结果显示在市场入侵的最优化模型中70%多的乙醇采用公路运输且平均运输距离为110千米，剩余的采用铁路运输。该研究中大规模乙醇生产的运输系统的气体排放对乙醇保质期内其他排放有明显影响。预计平均运输排放和原来一致，然而多少取决于运输距离长短。长途运输原料或者乙醇需要一个更实际的全国性系统。乙醇运输影响可从该项研究中得到一些能增加乙醇使用和有效运输的指导规则。玉米纤维乙醇的原料和成品运输占总成本的很大一部分。由于乙醇产品运输费用比原料少，所以应把工厂建立在据原料近而不是需求中心，
18、但采用该原则运输成本依然很可观。该研究假设大部分乙醇采用铁路运输，没有考虑管道运输，因为具体的生产参数还未公开，铁路贯穿全美切相邻MSA的铁路距离不超过5千米，但管道并不是无处不在的。在洛瓦的一个对20个工厂的调查中，只有一个没有铁路通道但是政府给与补贴。管道系统需要主体与分支路线组合优化来减少资金和操作费用。而且。生物燃料尤其是丁醇生产将会用现存管道而不是用生物质生产乙醇。这些问题需要进一步探索。总之考虑到方方面面长期建立新管道有许多不确定的方面。实际系统可能有更高的成本和排放量，尤其是考虑到交通阻塞。该分析强调了地区的可替代燃料策略的重要性。乙醇应运到据原料近的地方，但是也会有例外，用于时
19、混合动力车应在原理原料的偏僻地方。参考文献：1. Ethanol Industry Outlook; Renewable Fuels Association (RFA): Washington, DC, 2007. 2. Davis, S. C., and Diegel, S. W. Transportation Energy Data Book, Edition 26; Oak Ridge National Laboratory ORNL-6978: Oak Ridge, TN, 2007. 3. Official Energy Statistics from the U.S. Govern
20、ment; Energy Information Administration (EIA): Washington, DC, 2008. 4. Renewable Fuels Association (RFA) “Ethanol Biorefinery Locations. 5. Federal Highway Administration (FHWA). Highway Statistics 2006; U.S. Department of Transportation: Washington, D.C., 2007; 6. Energy Independence and Security
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