美国农业部发表有关玉米乙醇能量转化的新论文

在过去的十年中，美国农业部（USDA）发表了几篇论文，研究了玉米乙醇的能量返回。被投资的能量的能量回报率（EROEI）只是过程的能量输出值除以过程中的能量输入。简单来说，如果一个过程需要1 BTU的能量才能生产2 BTU的乙醇，那么EROEI为2。

EROEI通过获取能量输出的值并将其除以能量输入来计算。

但是，实际上它要复杂得多。能量输入和输出的分配方式可能会对答案产生很大的影响。只需更改分配的性质（如下文所示），您就可以大幅更改EROEI值。

使用EROEI时应注意以下几点。首先，当涉及可替代能源类型时，EROEI最有用。通常不会使用1 BTU的汽油来制造1 BTU的乙醇，但是将2 BTU的煤转化为1 BTU的乙醇在经济上很有吸引力（EROEI = 0.5）。其次，EROEI计算中不涉及时间因素，因此，如果较低的EROEI过程在较短的时间间隔内返回能量，则较低的EROEI过程可能比较高的EROEI过程更具吸引力。

通常还需要考虑副产品。当生产一加仑乙醇时，也会产生一些副产物。主要副产品是用于生产乙醇的谷物残留物。副产物有几种不同的形式，具体取决于确切的过程，但最常见的是带有蒸馏物的蒸馏酒干谷粒（DDGS）。产生的每加仑乙醇产生约6.25磅的副产物DDGS。

因此，如果生产1 BTU的乙醇和一定量的DDGS需要1 BTU的能量，那么您如何计算DDGS的能量含量？多年来，USDA对此进行了解释。一种方法是仅计算DDGS的能量含量。这样做的问题在于，DDGS通常不用于产生能量。另一种方法是基于替换值进行计算。随着DDGS的生产，理论上其他具有类似营养价值的东西也被市场取代。替代价值考虑了产生替代品所需的能量，并将该能量记入乙醇的能量平衡中。

2002年美国农业部报告

美国农业部在2002年发表了《玉米乙醇的能量平衡》（1）。作者估计了生产一加仑乙醇所需的能量输入。他们计算出，在9个主要的玉米生产州中，平均投入为77,228 BTU，以生产83,961 BTU的乙醇（较高的热值或乙醇的HHV *）。

美国农业部通过从输入侧减去副产品来夸大其EROEI。

如果输出为83,961 BTU的乙醇加上14,372 BTU的副产物，而输入的是77,228 BTU，我将得出的能量回报为1.27。但是，作者报告：“我们证明玉米乙醇是节能的，如能量输出：输入比为1.34所示。”为什么明显的差异？因为他们没有将副产品添加到输出侧，而是将其视为能量输入的偏移。换句话说，他们说：“由于我们获得了14,372 BTU的副产品，因此我们的投入实际上是77,228 BTU，减去14,372 BTU，或62,856 BTU。”使用较低的输入可使他们报告较高的能量平衡1.34。但是，1.34不是实际的输出：输入比率。

试想一下，财务回报是否以此方式计算。假设您投资了100美元，并获得了35美元的现金以及价值30美元的商品（副产品）的回报。什么是投资回报率？多数人会说，投资100美元可获得65美元的总回报，总回报率为65％。或者我们可以说现金回报率为35％。但是，如果我们使用USDA乙醇会计，则将使用30美元的共同信用额度来抵消我们的初始投资。然后我们可以说，我们只“真正”投资了70美元才能获得35美元的现金回报，即50％的现金回报。因此，问题的答案是：“什么时候只要$ 100的投资获得$ 35的回报就等于投资的50％？”–是“只要我们应用USDA用于乙醇核算的规则。”

但这并不是说它是“错误的”方法，但肯定是一种夸大乙醇能量返回的方法。在上面的示例中，35美元的现金回报类似于乙醇生产，您可以看到35％的回报如何膨胀为50％。

2004年报告：更具创造力

两年后的更新（2）中，2002年报告的作者指出，该报告受到了许多批评：

有人认为，美国农业部低估了用于生产氮肥的能源和用于生产玉米籽粒的能源，而高估了分配用于生产玉米乙醇副产品的能源。他们还认为，USDA不包括用于玉米灌溉的能源和用于玉米生产的二次能源输入，例如用于建设乙醇工厂的农业机械和设备以及水泥，钢铁和不锈钢。

他们试图在2004年进行更新以解决一些批评。他们承认某些能源输入以前被低估了。他们指出，生产一磅氮肥所需的能量估计值在2002年报告中被低估了25％。此外，他们最初假定种子玉米生产所需的能量是普通玉米生产所需能量的1.​​5倍。他们在2004年的报告中说，生产种子玉米实际上需要4.7倍的能量。他们指出，他们在2002年或2004年的论文中均未包括任何二次能源输入（例如，实际生产乙醇工厂的能源）：

我们的研究不包括用于二次输入的能源，例如用于玉米生产的农业机械和设备，以及用于建设乙醇工厂的水泥，钢铁和不锈钢。该区域中的可用信息过时且过时。皮门特尔（Pimentel）在其最新报告（2003年）中，使用了1979年的Slesser和Lewis来估算钢铁，不锈钢和水泥生产中使用的能源。

因此他们指出，皮门特尔教授使用了1979年的数据，但在计算中却没有使用任何数据。当报告能源回报时，2004年报告中的警告总是被忽略。

根据对2002年报告的所有更正，可以假定能量返回已向下修正。但是令人惊讶的是，尽管在早期报告中低估了关键的能源投入，但他们在2004年报告的能源回报为1.67，远好于2002年报告中的1.34。

该行业在短短两年内是否取得了如此巨大的进步？不，报告的增加是由于他们分配能源投入的方式发生了变化。与以前的替换方法相反，从2004年的报告开始，他们采用了以下逻辑：

仅淀粉被转化为乙醇。平均而言，淀粉占玉米粒重量的66％（水分占15％）。因此，用于生产和运输玉米至乙醇工厂的能源中有66％被分配给乙醇，而34％则被分配给副产品。

同样，这里没有一种完美的方法来分配能量输入，但是这似乎相当武断。更改所做的一件事是显着增加了视在能量平衡。使用2002年报告中的方法，由于进行了更正，因此EROEI下降了，但是通过将更多的能量输入转移到副产品中，2002年报告的能量平衡为1.34，2004年的EROEI为1.67。

在进行会计核算更改后，USDA重新分配了能源输入，并显示出能源收益的峰值。

这在许多人中间产生了一个普遍印象，那就是，乙醇行业在提高能源效率方面取得了长足的进步，而事实只是会计上的变化。如果仅查看数字，我们可以从2004年报告中找到以下内容。忽略副产品信用，它们的能源输入为72,052 BTU，可生产76,375 BTU的乙醇（它们也从2002年的较高热值更改为2004年的较低热值），而能源投资的能源回报（EROEI）为1.06。

在2002年，他们估计副产物的值为14372 BTU /加仑乙醇。如果我们将其添加到他们在2004年报告中报告的乙醇的BTU中，我们可以获得（76,375 + 14,372）BTU，或90,747 BTU。假设他们输入了72,052 BTU，那么带有副产品的EROEI为90,747 / 72,052，即1.26。（实际上，通过降低发热量，以前报道的副产品14,372 BTU也会减少，但是没有足够的信息来计算多少。不用说，如果不考虑会计变更，基于替代方法的EROEI在2004年报告中会更低。

2010年更新

现在在2010年，USDA已发布了对其早期报告的更新（3）。新版本是《 2008年玉米乙醇行业的能源平衡》。其中一位作者是侯赛因·沙普里（Hosein Shapouri），他是前两次报告中也列出的唯一一位作者。该报告最有趣的方面（引起了乙醇支持者的广泛关注）是，据报道，乙醇的能量返回现在超过2：1：

一个干磨乙醇工厂，生产和销售干酒糟，并使用传统的化石燃料发电作为热能和电力，其以乙醇形式提供给客户的能量产生的能量是玉米，加工和运输所产生能量的近两倍。当采用更慷慨的去除副产物能量的方法时，对于输入中1 BTU的能量，该比率约为2.3 BTU的乙醇。

当然，我直接讲了这些数字，这就是他们所说的。确实已经报道了玉米乙醇工艺效率的改善。2004年的报告估计有72,052 BTU产生一加仑的乙醇，但是最新报告估计有53,785 BTU产生一加仑的乙醇。然后，他们在2010年报告中为副产品分配了20,409 BTU，再次从能源输入中减去了BTU。假装仅需要33,375 BTU就能生产乙醇，从而增加了能量回馈。

尽管2010年报告的EROEI大幅增加，但由于美国农业部的会计方法，使其膨胀得更大。

如果我们回到2002年报告中所采用的方法，我们发现投入的53,785 BTU产生了76,375 BTU的乙醇和14,372 BTU的副产物（大概每加仑乙醇生产的副产物的价值不会有太大变化）。 90,747 BTU。得出的能源收益为1.69，具有讽刺意味的是，几乎与2004年报告中更改会计方法时所报告的数字相同。

方法比较

因此，如果我们使会计方法保持一致，那么以下是USDA报告中原始数据中仅乙醇的能量回报（乙醇输出/总能量输入）：

2002 – 1.092004 – 1.062010 – 1.42

以下是乙醇加副产品能量的回报（乙醇加副产品输出/总能量输入）：

2002 – 1.272004 – 1.262010 – 1.69

以下是所有三份报告中利用2002年美国农业部方法的比率（从投入中减去副产品）：

2002 – 1.342004 – 1.322010 – 1.93

最后，USDA在所有三个报告中突出显示和报告的比率：

2002 – 1.342004 – 1.672010 – 2.34

结论

可以肯定地说，这是一个可观的改进，但是我们应该记住，他们承认并没有考虑某些投入（他们在2004年报告中提到的次要投入）。但是，这也引出了一个问题，即美国农业部的方法是否公正无私，还是存在一致的有利于提高乙醇能量返回的计算方法。（如果以这种方式计算汽油的EROEI，则它将大于10：1，因为在此过程中会产生燃料气体，然后将其反馈到炼油厂中）。

关于副产品能源分配的最后一句话。如果想法是寻找可替代的汽油替代品，则必须考虑随着燃料生产规模的增加而产生的副产物的数量。在某些时候，副产品可能会使市场饱和，从而可能导致其他意外后果。生物柴油和产生的甘油副产物就是这种情况。生物柴油生产商通常很难摆脱副产物。

因此，当我将乙醇视为汽油的替代竞争者时，我对生产乙醇的能源支出更感兴趣，而对将能量输入分配给副产品的创新能力却不太感兴趣。无论如何，在2002年，对于1 BTU的乙醇输入，大约是1 BTU的乙醇产量，现在对于1 BTU的乙醇输出是1.4 BTU的乙醇，但需要注意的是，并未考虑二次输入。

参考文献

1.Shapouri，H.，J.A.杜菲尔德和王先生。2002.玉米乙醇的能量平衡：更新。AER-814.华盛顿特区。：美国农业部首席经济学家办公室。

2.Shapouri，H.，J.A.Duffield和M. Wang。2004.2001年玉米乙醇的净能量平衡。华盛顿特区。：美国农业部首席经济学家办公室。

3.Shapouri，H.，P。Gallagher，W。Nefstead，R。Schwartz，S。Noe和R. Conway。2010.2008年玉米乙醇行业的能源平衡。华盛顿特区。：美国农业部首席经济学家办公室。

燃烧时会产生水蒸气的物质（例如乙醇）的较高的热值假设是凝结的水和热量得以回收。实际上，当水以蒸气形式离开车辆时，这种情况不会发生。因此，实际上，较低的发热量是了解有多少能量可用于为汽车加油的重要价值。

通过。罗伯特·拉皮尔

资源：R Squared Energy博客