Los combustibles alternativos , también conocidos como combustibles no convencionales y avanzados , [1] son combustibles derivados de fuentes distintas del petróleo . [2] Los combustibles alternativos incluyen combustibles fósiles gaseosos como el propano , el gas natural , el metano y el amoníaco ; biocombustibles como el biodiésel , el bioalcohol y el combustible derivado de residuos ; y otros combustibles renovables como el hidrógeno y la electricidad . [3]
Estos combustibles están destinados a sustituir a fuentes de energía con mayor intensidad de carbono, como la gasolina y el diésel, en el transporte , y pueden ayudar a contribuir a la descarbonización y la reducción de la contaminación . [2] [4] [5] También se ha demostrado que los combustibles alternativos reducen las emisiones no relacionadas con el carbono, como la liberación de óxido nítrico y dióxido de nitrógeno , así como el dióxido de azufre y otros gases nocivos en el escape. Esto es especialmente importante en industrias como la minería , donde los gases tóxicos pueden acumularse más fácilmente.
En la Unión Europea , el combustible alternativo se define en la Directiva 2014/94/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 22 de octubre de 2014, relativa a la implantación de una infraestructura para combustibles alternativos.
«combustibles alternativos»: combustibles o fuentes de energía que sirven, al menos en parte, como sustitutos de las fuentes de petróleo fósil en el suministro de energía al transporte y que tienen el potencial de contribuir a su descarbonización y mejorar el comportamiento ambiental del sector del transporte. Entre ellos se incluyen, entre otros:
- electricidad,
- hidrógeno,
- biocarburantes tal como se definen en el artículo 2, letra i), de la Directiva 2009/28/CE,
- combustibles sintéticos y parafínicos,
- gas natural, incluido el biometano , en forma gaseosa ( gas natural comprimido (GNC)) y en forma licuada ( gas natural licuado (GNL)), y
- gas licuado de petróleo (GLP);
— Directiva 2014/94/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 22 de octubre de 2014, relativa a la implantación de una infraestructura para los combustibles alternativos.
En los EE. UU., la EPA define el combustible alternativo como
Combustibles alternativos, incluidos combustibles gaseosos como hidrógeno, gas natural y propano; alcoholes como etanol, metanol y butanol; aceites vegetales y derivados de desechos; y electricidad. Estos combustibles pueden utilizarse en un sistema dedicado que queme un solo combustible o en un sistema mixto con otros combustibles, como la gasolina o el diésel tradicionales, como en vehículos híbridos eléctricos o de combustible flexible.
— Agencia de Protección Ambiental [6]
En Canadá, desde 1996, el Reglamento sobre Combustibles Alternativos SOR/96-453 de la Ley de Combustibles Alternativos define el combustible alternativo:
A los efectos de la definición de combustible alternativo del apartado 2(1) de la Ley, se prescribe que los siguientes, cuando se utilizan como única fuente de energía de propulsión directa de un vehículo de motor, son combustibles alternativos:
- (a) etanol;
- (b) metanol;
- (c) gas propano;
- (d) gas natural;
- (e) hidrógeno;
- (f) electricidad;
- (g) para los efectos de los incisos 4(1) y 5(1) de la Ley, cualquier combustible mezclado que contenga al menos el 50 por ciento de uno de los combustibles a que se refieren los párrafos (a) a (e); y
- (h) para los efectos de los incisos 4(2) y 5(2) de la Ley, cualquier combustible mezclado que contenga uno de los combustibles mencionados en los párrafos (a) a (e).
— Reglamento sobre combustibles alternativos (SOR/96-453) [7]
En China, los vehículos que utilicen combustibles alternativos deben cumplir con las directrices técnicas para la producción local de vehículos que utilicen combustibles alternativos: deben tener una vida útil de más de 100.000 kilómetros (62.000 millas) y una carga completa debe demorar menos de siete horas. Hasta el 80% de una carga debe estar disponible después de menos de 30 minutos de carga. Además, los vehículos puramente eléctricos deben consumir energía eléctrica de menos de 0,16 kWh/km. [8]
Los biocombustibles también se consideran una fuente renovable. Aunque la energía renovable se utiliza principalmente para generar electricidad, a menudo se supone que alguna forma de energía renovable o un porcentaje de ella se utiliza para crear combustibles alternativos. Se están realizando investigaciones para encontrar cultivos de biocombustibles más adecuados y mejorar el rendimiento de aceite de estos cultivos. Con los rendimientos actuales, se necesitarían enormes cantidades de tierra y agua dulce para producir suficiente petróleo para reemplazar por completo el uso de combustibles fósiles.
La biomasa en la industria de producción de energía es material biológico vivo y recientemente muerto que puede utilizarse como combustible o para la producción industrial. Se ha vuelto popular entre las centrales eléctricas de carbón, que cambian de carbón a biomasa para pasar a la generación de energía renovable sin desperdiciar las plantas generadoras y la infraestructura existentes. La biomasa se refiere con mayor frecuencia a plantas o materiales de origen vegetal que no se utilizan para alimentos o piensos, y se denominan específicamente biomasa de nitrocelulosa . Como fuente de energía, la biomasa puede utilizarse directamente a través de la combustión para producir calor, o indirectamente después de convertirla en diversas formas de biocombustible. [ cita requerida ]
Los biocombustibles a base de algas se han promocionado en los medios de comunicación como una posible panacea para los problemas de transporte derivados del petróleo crudo. Las algas podrían producir más de 2000 galones de combustible por acre por año de producción. [9] La Marina de los EE. UU. está probando con éxito combustibles a base de algas . [10] Los plásticos a base de algas muestran potencial para reducir los desechos y se espera que el costo por libra de plástico de algas sea más económico que los precios del plástico tradicional. [11]
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El biodiesel se produce a partir de grasas animales o aceites vegetales, recursos renovables que provienen de plantas como la atrofia, la soja, el girasol, el maíz, el olivo, el maní, la palma, el coco, el cártamo, la canola, el sésamo, la semilla de algodón, etc. Una vez que estas grasas o aceites se filtran de sus hidrocarburos y luego se combinan con alcohol como el metanol, se produce diésel a partir de esta reacción química. Estas materias primas se pueden mezclar con diésel puro para hacer varias proporciones o se pueden utilizar solas. A pesar de la preferencia de mezcla de cada uno, el biodiesel liberará una menor cantidad de contaminantes ( monóxido de carbono , partículas e hidrocarburos ) que el diésel convencional, porque el biodiesel se quema de forma limpia y más eficiente. Incluso con la cantidad reducida de azufre del diésel regular gracias a la invención del LSD ( diésel de azufre ultra bajo ), el biodiesel supera esos niveles porque no contiene azufre. [12]
El metanol y el etanol son fuentes primarias de energía; son combustibles convenientes para almacenar y transportar energía. Estos alcoholes pueden usarse en motores de combustión interna como combustibles alternativos. El butano tiene otra ventaja: es el único combustible para motores a base de alcohol que puede transportarse fácilmente por las redes de oleoductos existentes, en lugar de hacerlo únicamente mediante camiones cisterna y vagones de ferrocarril. [13]
El amoníaco (NH3 ) se puede utilizar como combustible. [14] [15] Los beneficios del amoníaco para los barcos incluyen la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. [16] La reducción de nitrógeno se está considerando como un posible componente para las celdas de combustible y los motores de combustión a través de la investigación de la conversión de amoníaco en gas nitrógeno y gas hidrógeno. [17]
El amoníaco es la molécula más simple que transporta hidrógeno en forma líquida. No contiene carbono y se puede producir utilizando energía renovable. El amoníaco puede convertirse pronto en un combustible de transición debido a su relativa facilidad de almacenamiento y distribución. [18]
Los combustibles emulsionados incluyen múltiples componentes que se mezclan para formar una emulsión de agua en aceite, que se crea para mejorar las propiedades de combustión de los combustibles. [19] El diésel también se puede emulsionar con agua para usarlo como combustible. [20] Esto ayuda a mejorar la eficiencia del motor y a reducir las emisiones de escape. [21]
El combustible neutro en carbono es un combustible sintético , como el metano , la gasolina , el combustible diésel o el combustible para aviones , producido a partir de energía renovable o nuclear utilizada para hidrogenar el dióxido de carbono residual reciclado de los gases de escape de las chimeneas de las centrales eléctricas o derivado del ácido carbólico en el agua de mar . [22] [23] [24] [25] Dichos combustibles son potencialmente neutros en carbono porque no dan lugar a un aumento neto de los gases atmosféricos de efecto invernadero . [26] [27] En la medida en que los combustibles neutros en carbono desplazan a los combustibles fósiles , o si se producen a partir de carbono residual o ácido carbólico del agua de mar, y su combustión está sujeta a la captura de carbono en el tubo de escape, dan lugar a una emisión negativa de dióxido de carbono y a una eliminación neta de dióxido de carbono de la atmósfera, y por tanto constituyen una forma de remediación de los gases de efecto invernadero . [28] [29] [30] Estos combustibles neutros y negativos en carbono se pueden producir mediante la electrólisis del agua para fabricar hidrógeno utilizado en la reacción de Sabatier para producir metano que luego se puede almacenar para quemarlo más tarde en plantas de energía como gas natural sintético , transportarlo por tuberías , camiones o barcos cisterna , o usarse en procesos de gas a líquido como el proceso Fischer-Tropsch para fabricar combustibles tradicionales para el transporte o la calefacción . [31] [32] [33]
Se han propuesto combustibles neutros en carbono para el almacenamiento distribuido de energía renovable , minimizando los problemas de intermitencia eólica y solar , y permitiendo la transmisión de energía eólica, hídrica y solar a través de gasoductos naturales existentes. Dichos combustibles renovables podrían aliviar los costos y los problemas de dependencia de los combustibles fósiles importados sin requerir ni la electrificación de la flota de vehículos ni la conversión a hidrógeno u otros combustibles, lo que permitiría vehículos compatibles y asequibles. [31] Alemania ha construido una planta de metano sintético de 250 kilovatios que están ampliando a 10 megavatios. [34] [35] [36] Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) neutral en carbono en Werlte, Alemania . [37] La planta está destinada a producir combustible de transporte para compensar el GNL utilizado en sus automóviles A3 Sportback g-tron , y puede mantener 2.800 toneladas métricas de CO 2 fuera del medio ambiente por año en su capacidad inicial. [38] Se están llevando a cabo otros desarrollos comerciales en Columbia, Carolina del Sur , [39] Camarillo, California , [40] y Darlington, Inglaterra . [41]
La fuente menos costosa de carbono para reciclar en combustible son las emisiones de gases de combustión de la combustión de combustibles fósiles , donde se puede extraer por unos 7,50 dólares estadounidenses por tonelada. [24] [27] [32] También se ha propuesto que la captura de gases de escape de los automóviles es económica, pero requeriría cambios de diseño o modernización importantes. [42] Dado que el ácido carbónico en el agua de mar está en equilibrio químico con el dióxido de carbono atmosférico, se ha estudiado la extracción de carbono del agua de mar. [43] [44] Los investigadores han estimado que la extracción de carbono del agua de mar costaría unos 50 dólares por tonelada. [25] La captura de carbono del aire ambiente es más costosa, entre 600 y 1000 dólares por tonelada, y se considera poco práctica para la síntesis de combustible o el secuestro de carbono . [27] [28]
La energía eólica nocturna se considera [¿ por quién? ] la forma más económica de energía eléctrica con la que sintetizar combustible, porque la curva de carga de la electricidad alcanza picos pronunciados durante las horas más cálidas del día, pero el viento tiende a soplar ligeramente más por la noche que durante el día. Por lo tanto, el precio de la energía eólica nocturna suele ser mucho menos caro que cualquier otra alternativa. Los precios de la energía eólica fuera de horas punta en las zonas de alta penetración de viento de los EE. UU. promediaron 1,64 centavos por kilovatio-hora en 2009, pero solo 0,71 centavos/kWh durante las seis horas menos costosas del día. [31] Por lo general, la electricidad al por mayor cuesta entre 2 y 5 centavos/kWh durante el día. [45] Las empresas de síntesis de combustible comercial sugieren que pueden producir combustible por menos que los combustibles derivados del petróleo cuando el petróleo cuesta más de 55 dólares por barril. [46] La Marina de los EE. UU. estima que la producción a bordo de combustible para aviones a partir de energía nuclear costaría alrededor de 6 dólares por galón. Si bien esa cifra era aproximadamente el doble del costo del combustible de petróleo en 2010, se espera que sea mucho menor que el precio de mercado en menos de cinco años si las tendencias recientes continúan. Además, dado que el suministro de combustible a un grupo de combate de portaaviones cuesta alrededor de 8 dólares por galón, la producción a bordo ya es mucho menos costosa. [47] Sin embargo, la energía nuclear civil estadounidense es considerablemente más cara que la energía eólica. [48] La estimación de la Armada de que 100 megavatios pueden producir 41.000 galones de combustible por día indica que la producción terrestre a partir de energía eólica costaría menos de un dólar por galón. [49]
El hidrógeno es un combustible que no emite emisiones. El subproducto de la combustión del hidrógeno es agua, aunque se producen algunos óxidos de nitrógeno mononucleares ( NOx) cuando el hidrógeno se quema con aire. [50] [51]
Otro combustible es el ácido fórmico. El combustible se utiliza convirtiéndolo primero en hidrógeno y utilizándolo en una pila de combustible . El ácido fórmico es mucho más fácil de almacenar que el hidrógeno. [52] [53]
El HCNG (o H2CNG) es una mezcla de gas natural comprimido y entre un 4 y un 9 por ciento de hidrógeno en términos de energía. [54] El hidrógeno también se puede utilizar como gas hidroxi para mejorar las características de combustión de los motores de encendido por compresión . [55] El gas hidroxi se obtiene a través de la electrólisis del agua. [56]
El motor neumático es un motor de pistón libre de emisiones que utiliza aire comprimido como combustible.
El propano es un combustible de alto rendimiento y combustión más limpia que se obtiene a partir de múltiples fuentes. Se lo conoce con muchos nombres, entre ellos, propano, GLP (gas propano licuado), LPA (autogás de propano líquido), autogás y otros. El propano es un combustible de hidrocarburo y pertenece a la familia de los gases naturales.
El propano como combustible para automóviles comparte muchos de los atributos físicos de la gasolina, al tiempo que reduce las emisiones de escape y las emisiones de la gasolina a las ruedas en general. El propano es el combustible alternativo número uno en el mundo y ofrece una gran cantidad de suministro, almacenamiento líquido a baja presión, un excelente historial de seguridad y un gran ahorro de costos en comparación con los combustibles tradicionales. [57]
El propano ofrece un octanaje entre 104 y 112 [58] dependiendo de la composición de las proporciones de butano/propano de la mezcla. El autogás de propano en formato de inyección líquida captura el cambio de fase del estado líquido al gas dentro del cilindro del motor de combustión produciendo un efecto de "intercooler", reduciendo la temperatura del cilindro y aumentando la densidad del aire. [59] El efecto resultante permite un mayor avance en el ciclo de encendido y una combustión del motor más eficiente.
El propano no contiene aditivos, detergentes ni otros aditivos químicos que reduzcan aún más la salida de gases de escape. La combustión más limpia también genera menos emisiones de partículas, menos NOx debido a la combustión completa del gas dentro del cilindro, temperaturas de escape más altas que aumentan la eficiencia del catalizador y deposita menos ácido y carbono dentro del motor, lo que extiende la vida útil del aceite lubricante. [ cita requerida ]
El autogás propano se genera en el pozo junto con otros productos derivados del petróleo y el gas natural. También es un subproducto de los procesos de refinación que aumentan aún más la oferta de propano en el mercado.
El propano se almacena y transporta en estado líquido a una presión de aproximadamente 5 bar (73 psi). El abastecimiento de combustible para vehículos es similar al de la gasolina en cuanto a la velocidad de entrega con los equipos de abastecimiento modernos. Las estaciones de servicio de propano solo requieren una bomba para transferir el combustible del vehículo y no requieren sistemas de compresión costosos y lentos en comparación con el gas natural comprimido , que generalmente se mantiene a más de 3000 psi (210 bar).
En un formato vehicular, el autogás propano se puede adaptar a casi cualquier motor y proporcionar ahorros en los costos de combustible y menores emisiones, al mismo tiempo que es más eficiente como sistema general debido a la gran infraestructura de abastecimiento de propano preexistente que no requiere compresores y el desperdicio resultante de otros combustibles alternativos en los ciclos de vida del pozo a la rueda. [ cita requerida ]
El gas natural comprimido (GNC) y el gas natural licuado (GNL) son dos alternativas combustibles más limpias a los combustibles líquidos convencionales para automóviles .
Los vehículos de GNC pueden utilizar tanto GNC renovable como GNC no renovable. [60]
El GNC convencional es un combustible fósil. Las nuevas tecnologías, como la perforación horizontal y la fracturación hidráulica para acceder de manera económica a recursos de gas no convencionales , parecen haber incrementado la oferta de gas natural de manera fundamental. [61]
El gas natural renovable o biogás es un gas derivado del metano con propiedades similares al gas natural que se puede utilizar como combustible para el transporte. Las fuentes actuales de biogás son principalmente los vertederos , las aguas residuales y los desechos animales y agrícolas. Según el tipo de proceso, el biogás se puede dividir en lo siguiente: biogás producido por digestión anaeróbica, gas de vertedero recolectado de vertederos, tratado para eliminar contaminantes traza, y gas natural sintético (SNG). [60]
El GNC alimenta más de 5 millones de vehículos en todo el mundo, y un poco más de 150.000 de ellos se encuentran en los EE. UU. [62] Su uso en Estados Unidos está creciendo a un ritmo espectacular. [63]
Debido a que el gas natural emite menos contaminantes que forman smog que otros combustibles fósiles cuando se quema, se ha medido un aire más limpio en localidades urbanas que cambian a vehículos a gas natural. [64] El CO2 del tubo de escape se puede reducir entre un 15 y un 25 % en comparación con la gasolina y el diésel. [65] Las mayores reducciones se producen en los segmentos de camiones de servicio mediano y pesado, de servicio ligero y de recolección de basura. [65]
Se pueden lograr reducciones de CO 2 de hasta un 88% mediante el uso de biogás. [66]
El gas natural y el hidrógeno son más ligeros que el aire y pueden mezclarse entre sí. [67]
La energía nuclear es cualquier tecnología nuclear diseñada para extraer energía utilizable de los núcleos atómicos mediante reacciones nucleares controladas . Actualmente, el único método controlado utiliza la fisión nuclear en un combustible fisible (con una pequeña fracción de la energía proveniente de la desintegración radiactiva posterior ). El uso de la fusión nuclear para la generación controlada de energía aún no es práctico, pero es un área activa de investigación. [68]
La energía nuclear generalmente requiere un reactor nuclear para calentar un fluido de trabajo, como el agua, que luego se utiliza para crear presión de vapor, que se convierte en trabajo mecánico con el fin de generar electricidad o propulsión en el agua. Hoy en día, más del 15% de la electricidad mundial proviene de la energía nuclear, y se han construido más de 150 buques de guerra de propulsión nuclear. [ cita requerida ]
En teoría, la electricidad de los reactores nucleares también podría utilizarse para la propulsión en el espacio, pero esto todavía no se ha demostrado en un vuelo espacial. Algunos reactores más pequeños, como el reactor nuclear TOPAZ , están construidos para minimizar las partes móviles y utilizan métodos que convierten la energía nuclear en electricidad de forma más directa, lo que los hace útiles para las misiones espaciales, pero esta electricidad se ha utilizado históricamente para otros fines. La energía de la fisión nuclear se ha utilizado en varias naves espaciales, todas ellas sin tripulación. Hasta 1988, los soviéticos pusieron en órbita 33 reactores nucleares en los satélites de radar militar RORSAT , donde la energía eléctrica generada se utilizó para alimentar una unidad de radar que localizaba barcos en los océanos de la Tierra. Estados Unidos también puso en órbita un reactor nuclear experimental en 1965, en la misión SNAP-10A .
Los reactores nucleares basados en torio también se han convertido en un área de investigación activa en los últimos años. Cuentan con el respaldo de muchos científicos e investigadores, y el profesor James Hansen, exdirector del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA , ha dicho: "Después de estudiar el cambio climático durante más de cuatro décadas, me queda claro que el mundo se encamina hacia una catástrofe climática a menos que desarrollemos fuentes de energía adecuadas para reemplazar los combustibles fósiles . La energía nuclear más segura, limpia y barata puede reemplazar al carbón y se necesita desesperadamente como parte esencial de la solución". [69] El torio es 3-4 veces más abundante en la naturaleza que el uranio , y su mineral, la monacita , se encuentra comúnmente en las arenas a lo largo de los cuerpos de agua. El torio también ha ganado interés porque podría ser más fácil de obtener que el uranio. Mientras que las minas de uranio están encerradas bajo tierra y, por lo tanto, son muy peligrosas para los mineros, el torio se extrae de minas a cielo abierto. [70] [71] La monacita está presente en países como Australia, Estados Unidos y la India, en cantidades lo suficientemente grandes como para abastecer de energía a la Tierra durante miles de años. [72] Como alternativa a los reactores nucleares alimentados con uranio, se ha demostrado que el torio contribuye a la proliferación, produce desechos radiactivos para depósitos geológicos profundos como el tecnecio-99 (vida media de más de 200.000 años), [73] y tiene un ciclo de combustible más largo. [71]
Para obtener una lista de reactores alimentados con torio, tanto experimentales como actualmente en funcionamiento, véase Ciclo del combustible de torio § Lista de reactores alimentados con torio .
Además, los radioisótopos se han utilizado como combustibles alternativos, tanto en tierra como en el espacio. Su uso en tierra está disminuyendo debido al peligro de robo de isótopos y daños ambientales si se abre la unidad. La desintegración de radioisótopos genera calor y electricidad en muchas sondas espaciales, en particular las sondas a planetas exteriores donde la luz solar es débil y las bajas temperaturas son un problema. Los generadores radiotérmicos (RTG) que utilizan radioisótopos como combustibles no sostienen una reacción nuclear en cadena, sino que generan electricidad a partir de la desintegración de un radioisótopo. [74]
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