Nebraska produzierte 1.81 Milliarden Scheffel Mais im Jahr 2019. Rund 790 Millionen Scheffel gehen in die Ethanolproduktion. Foto mit freundlicher Genehmigung von F. John Hay

Maiskorn als Ethanol-Ausgangsmaterial

Einführung
Mais (Zea Mays) ist aufgrund seiner Fülle und relativ einfachen Umwandlung in Ethylalkohol (Ethanol) ein beliebtes Ausgangsmaterial für die Ethanolproduktion in den USA. Mais und andere Körner mit hohem Stärkegehalt werden seit Tausenden von Jahren in Ethanol umgewandelt, doch erst im vergangenen Jahrhundert hat sich seine Verwendung als Brennstoff stark ausgeweitet., Die Umwandlung umfasst Mahlen, Kochen mit Enzymen, Fermentation mit Hefe, Destillation zur Entfernung von Wasser. Für Kraftstoffethanol sind zwei weitere Schritte enthalten; Molekularsieb zum Entfernen des letzten Wassers und Denaturierung, um das Ethanol nicht trinkbar zu machen.

Aktuelles Potenzial für die Verwendung als Biokraftstoff

Maiskorn ist aufgrund seines Stärkegehalts und seiner relativ einfachen Umwandlung in Ethanol ein gutes Biokraftstoff-Ausgangsmaterial. Die Infrastruktur zum Pflanzen, Ernten und Lagern von Mais in Massenmengen kommt der Mais-Ethanolindustrie zugute., Im Gegensatz zu Zuckerrohr, bei dem gepresstes Zuckerwasser direkt fermentiert werden kann, muss Maisstärke mit Alpha-und Glucoamylaseenzymen gekocht werden, um die Stärke in einfachen Zucker umzuwandeln. Zellulose-Rohstoffe sind noch widerspenstiger und benötigen Zeit und Energie, um in einfachen Zucker umzuwandeln.
Nach dem vom Kongress im Jahr 2007 festgelegten Standard für erneuerbare Brennstoffe (RFS-2) kann Ethanol auf Getreidebasis 15 Milliarden Gallonen der 36 Milliarden Gallonen pro Jahr ausmachen. Ethanol-Produktionskapazität beträgt 14,7 Milliarden Gallonen im Jahr 2015 gegenüber 10,6 Milliarden Gallonen pro Jahr im Jahr 2009 (eia.gov).
Maisproduktion in den USA, erreichte 2014 mit 14,2 Milliarden Scheffeln (National Ag Statistics Service) Rekordhöhen. Verwendung einer Mais-Ethanol-Umwandlung von 2,8 Gallonen Ethanol aus einem Scheffel Mais Die gesamte US-amerikanische Maisproduktion könnte ungefähr 38 Milliarden Gallonen Ethanol produzieren, was ungefähr 26% unseres Benzinverbrauchs von 137 Milliarden Gallonen pro Jahr ausmachen würde (Energy Information Administration). Die Verwendung unseres gesamten Maises für Ethanol ist nicht realistisch und wurde nicht vorgeschlagen. Die Schaffung der 15 Milliarden Gallonen unter dem RFS-2 würde 5,4 Milliarden Scheffel oder etwa 39% unserer 2015-Maisernte erfordern., Ein Drittel des Mais, der in eine Ethanol-Bioraffinerie gelangt, wird als Destillationskörner zurückbleiben, die verwendet werden können, um Mais in Rinder -, Schweine-und Geflügeldiäten zu ersetzen. Dieser Ersatz von Mais durch Brennerkörner würde die Zahlen ändern. Es würde 27% unserer 2015 Maisernte erfordern. Mit einem stetigen Anstieg der Erträge haben die USA das Potenzial, die Ethanolproduktion von Mais zu steigern, ohne auf neue Hektar zu expandieren.
Biologie und Anpassung
Mais (Zea Mays) entstand in Mittelamerika mit der ersten Domestizierung angeblich im Tehuacan-Tal von Mexiko., Mais verbreitete sich auf dem gesamten nordamerikanischen Kontinent und wurde zu einer wichtigen Ernte für frühe Amerikaner. Auf seinem Höhepunkt im Jahr 1917 wurden 111 Millionen Morgen Mais in den USA gepflanzt Heute wird Mais in vielen Teilen der Welt und in vielen Bundesstaaten der USA von Süd-North Dakota nach Texas und Ost nach New York gepflanzt. Mais ist gut geeignet, um bei Temperaturen zwischen 50 und 86 Grad Fahrenheit zu wachsen (Hoeft et. Al. 2000). Um Getreide zu produzieren, verwendet Mais ungefähr 22 Zoll Wasser, was 12 bis 20 Zoll Niederschlag oder Bewässerung während der Vegetationsperiode erfordert., Viele Teile des oberen Mittleren Westens sind gut geeignet, Mais anzubauen, und dieser Bereich wird manchmal als Maisgürtel bezeichnet.
Produktion und agronomische Informationen
Mais im oberen Mittleren Westen wird zwischen März und Mai ausgesät und in den meisten Jahren zwischen September und November geerntet. Eine Mehrheit der heute gepflanzten Mais hat genetische Resistenz gegen Herbizide und einige Insekten diese Eigenschaften Aids-Produzenten bei der Kontrolle von Unkraut und Insekten. In der Samenresistenz sind Genetik ein Ergebnis von Gentechnik und Pflanzenzüchtung. Ein Großteil des Maisgürtels dreht die Maisproduktion mit Sojabohnen oder Weizen., Diese Rotationen brechen Unkraut-und Insektenzyklen und reduzieren die Produktionskosten. Mais reagiert am besten auf sehr fruchtbare Böden mit zusätzlichem Dünger, der in den meisten Jahren angewendet wird. Dünger kann anorganischer chemischer Dünger oder Dünger sein. Wichtige Nährstoffe, die Mais benötigt, sind Stickstoff, Phosphor und Kalium. Die Produktion von anorganischem Stickstoffdünger ist sehr energieintensiv und damit macht Stickstoffdünger fast 30% des Energieeinsatzes in der Maisproduktion aus (BESS 2009). Weitere wichtige Inputs sind Bewässerung und Getreidetrocknung., Kleinere, aber immer noch erhebliche Energieeinsatz für die Maisproduktion sind Dieselkraftstoff für Traktoren, Transport, Ernte und Schädlingsbekämpfung Chemikalien und Anwendung.
Potenzielle Erträge
Die durchschnittliche Maisernte auf nationaler Ebene betrug 167,5 Scheffel pro Hektar im Jahr 2015. Der Maisertrag ist seit 1940 um ungefähr 2 Scheffel pro Hektar und Jahr gestiegen (NASS 2009). Dieser Anstieg wird sich wahrscheinlich auch in Zukunft fortsetzen, da einige Leute vorhersagen, dass der Ertragstrend aufgrund der Biotechnologie und der Fortschritte in der Zucht stärker zunehmen wird. Der Ethanolertrag pro Hektar würde 462 Gallonen pro Hektar von 165 Scheffeln Mais betragen., Ein Hektar Zuckerrohr kann ungefähr 35 Tonnen Ertrag oder etwa 560 Gallonen Ethanol produzieren (Hofstrand, 2009).
Produktionsherausforderungen
Die Maisproduktion ist mit fast 100 Jahren Infrastrukturaufbau und Forschung gesegnet. Produzenten haben großes Wissen und Erfahrung mit dem Anbau von Mais. Dieses Infrastruktur-und Anbauwissen macht Mais zu einer natürlichen Ernte für erweiterte Verwendungszwecke wie Ethanol. Dennoch machen hohe Produktionskosten und hohe Inputs Mais zu einer sehr intensiven Ernte. Andere Bioenergiepflanzen sind möglicherweise weniger intensiv und erfordern weniger Inputs., Die Kosten im Vergleich zum Gewinn pro Hektar müssen verglichen werden, da die Wirtschaftlichkeit ein wichtiger Treiber für die Entscheidung ist, welche Ernte am besten ist. Der Anbau einer weiteren Ernte auf einem Hektar, auf dem Mais angebaut werden könnte, wurde als Opportunitätskosten bezeichnet. Risiken können umfassen; ein neues Anbausystem, keine Ernte -, Transport-oder Lagerinfrastruktur und auch kein Rohstoffmarkt, auf den man zurückgreifen kann, wenn der Biokraftstoffmarkt versagt.
Geschätzte Produktionskosten
Die Produktionskosten variieren stark in Abhängigkeit von Bodenbearbeitung, Bewässerung, Ertragsziel (Bodenfruchtbarkeit), Sprühplan oder Saatgutauswahl und Rotation., Ein Beispiel Maisbudget mit Rainfed, No-Till, Biotech-Saatgut, Mais-Sojabohnenrotation und 125-Scheffel-Ertragsziel würde Folgendes umfassen: Sprühen, Pflanzen, Sprühen, Sprühen, Sprühen, Ernten, Karren, LKW und trockenes Getreide als Operationen für Gesamtkosten von 211 USD pro Hektar wenn Overhead (Pflanzenversicherung, Land, Steuern usw.) enthalten ist, beträgt die Summe 483 USD pro Hektar. Die Produktionskosten steigen auf bewässerten Feldern mit kontinuierlichem Mais auf über 900 US-Dollar (Klein und Wilson, 2015).
Umwelt-und Nachhaltigkeitsfragen
Life Cycle Analysis (LCA) der Ethanolproduktion aus Maiskorn hat ein Nettoenergieverhältnis von 1,2 zu 1 ergeben.,45 (Liska et. Al. 2009). Dies stellt nur eine 20 bis 45% positive Energiebilanz bei der Herstellung von Ethanol aus Mais dar. Diese Zahl wurde wegen der großen Menge an fossiler Energie, die zur Herstellung von Ethanol verwendet wird, kritisiert Mais Ethanol. Eine 2016 veröffentlichte USDA-Studie berichtet, dass eine erhöhte Effizienz in Ethanolanlagen zu fossilen Energieverhältnissen auf nationaler Ebene bei 2.0 zu 1 und bei einigen einzelnen Anlagen mit Verhältnissen von 4.0 zu 1 geführt hat., (2015 Energiebilanz für die Mais-Ethanol-Industrie)
Maisproduktion ist sehr intensiv in der Pflanzenproduktion einschließlich der Verwendung von großen Mengen an Dünger und Pestiziden. Im Laufe vieler Jahre sind einige Gewässer mit Boden -, Nährstoff-und Pestizidabfluss aus landwirtschaftlichen Feldern kontaminiert worden. Die Zunahme der Bodenbearbeitungspraktiken hat die Bodenerosion und anschließend den Nährstoff-und Pestizidabfluss verringert, und der Trend zu einer besseren Erhaltung auf diesen Hektar setzt sich fort., Die heutigen Maisproduzenten produzieren auf weniger Hektar mehr Getreide mit besseren Konservierungstechniken als die vorherige Generation.

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