Los combustibles alternativos , también conocidos como combustibles no convencionales y avanzados , [1] son combustibles derivados de fuentes distintas al petróleo . [2] Los combustibles alternativos incluyen combustibles fósiles gaseosos como propano , gas natural , metano y amoníaco ; biocombustibles como biodiesel , bioalcohol y combustibles derivados de residuos ; y otros combustibles renovables como el hidrógeno y la electricidad . [3]
Estos combustibles están destinados a sustituir fuentes de energía más intensivas en 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] También se ha demostrado que el combustible alternativo reduce las emisiones distintas de carbono, como la liberación de óxido nítrico y dióxido de nitrógeno , así como dióxido de azufre y otros gases nocivos en el escape. Esto es especialmente importante en industrias como la minería, donde los gases tóxicos se pueden acumular más fácilmente.
En la Unión Europea , el combustible alternativo está definido por la Directiva 2014/94/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 22 de octubre de 2014, sobre el despliegue de infraestructuras para combustibles alternativos.
«combustibles alternativos»: combustibles o fuentes de energía que sirven, al menos en parte, como sustitutos de las fuentes de petróleo fósiles en el suministro de energía al transporte y que tienen el potencial de contribuir a su descarbonización y mejorar el rendimiento medioambiental del sector del transporte. Incluyen, entre otras cosas:
- electricidad,
- hidrógeno,
- biocombustibles 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, sobre el despliegue de infraestructuras para combustibles alternativos.
En Estados Unidos, la EPA define el combustible alternativo como
Combustible alternativo, incluidos combustibles gaseosos como hidrógeno, gas natural y propano; alcoholes tales como etanol, metanol y butanol; aceites vegetales y derivados; y electricidad. Estos combustibles se pueden utilizar en un sistema dedicado que quema un solo combustible o en un sistema mixto con otros combustibles, incluida la gasolina o el diésel tradicionales, como en los vehículos híbridos-eléctricos o de combustible flexible.
— EPA [5]
En Canadá, desde 1996, el Reglamento de Combustibles Alternativos SOR/96-453 Ley de Combustibles Alternativos define el combustible alternativo:
A los efectos de la definición de combustible alternativo en el apartado 2(1) de la Ley, los siguientes, cuando se utilizan como única fuente de energía de propulsión directa de un vehículo de motor, se consideran combustibles alternativos:
(a) etanol;
(b) metanol;
(c) gas propano;
d) gas natural;
(e) hidrógeno;
f) electricidad;
(g) a los efectos de las subsecciones 4(1) y 5(1) de la Ley, cualquier combustible mezclado que contenga al menos el 50 por ciento de uno de los combustibles mencionados en los párrafos (a) a (e); y
(h) a los efectos de las subsecciones 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) [6]
En China, los vehículos de combustible alternativo deberían cumplir con las directrices técnicas para la producción local de vehículos de combustible alternativo: deberían tener una vida útil de más de 100.000 kilómetros y una carga completa debería tardar menos de siete horas. Hasta el 80 % de la carga debe estar disponible después de menos de 30 minutos de carga. Además, los vehículos totalmente eléctricos deben consumir energía eléctrica inferior a 0,16 kWh/km. [7]
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 se utiliza para crear combustibles alternativos. Se están realizando investigaciones para encontrar cultivos para biocombustibles más adecuados y mejorar el rendimiento de aceite de estos cultivos. Con los rendimientos actuales, se necesitarían grandes cantidades de tierra y agua dulce para producir suficiente petróleo para reemplazar completamente el uso de combustibles fósiles.
La biomasa en la industria de producción de energía es material biológico vivo y recientemente muerto que puede usarse como combustible o para la producción industrial. Se ha vuelto popular entre las centrales eléctricas de carbón, que cambian del carbón a la biomasa para pasar a la generación de energía renovable sin desperdiciar plantas e infraestructuras de generación existentes. La biomasa se refiere con mayor frecuencia a plantas o materiales de origen vegetal que no se utilizan como alimento o pienso, y se denominan específicamente biomasa de nitrocelulosa. Como fuente de energía, la biomasa se puede utilizar directamente mediante combustión para producir calor o indirectamente después de convertirla en diversas formas de biocombustible. [ cita necesaria ]
Los biocombustibles a base de algas han sido promocionados en los medios de comunicación como una panacea potencial para los problemas de transporte del petróleo crudo. Las algas podrían producir más de 2000 galones de combustible por acre por año de producción. [8] La Marina de los EE. UU. está probando con éxito combustibles a base de algas. [9] 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 barato que los precios del plástico tradicional. [10]
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El biodiesel se elabora 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, el algodón, etc. Una vez que estas grasas o aceites se Filtrado de sus hidrocarburos y luego combinado con alcohol como metanol, el diésel se produce a partir de esta reacción química. Estas materias primas pueden mezclarse con diésel puro en varias proporciones o usarse solas. A pesar de la preferencia de mezcla, el biodiesel liberará una menor cantidad de contaminantes (partículas de monóxido de carbono e hidrocarburos) que el diesel convencional, porque el biodiesel se quema de manera más limpia y más eficiente. Incluso con la cantidad reducida de azufre del diésel normal gracias a la invención del LSD (diésel de azufre ultra bajo), el biodiésel supera esos niveles porque no contiene azufre. [11]
El metanol y el etanol son fuentes primarias de energía; son combustibles convenientes para almacenar y transportar energía. Estos alcoholes se pueden utilizar en motores de combustión interna como combustibles alternativos. El butano tiene otra ventaja: es el único combustible de motor a base de alcohol que puede transportarse fácilmente a través de las redes de oleoductos existentes, en lugar de sólo mediante camiones cisterna y vagones de ferrocarril. [12]
Como combustible se puede utilizar amoníaco (NH 3 ). [13] [14] Los beneficios del amoníaco para los barcos incluyen la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. [15] La reducción de nitrógeno se está considerando como un posible componente de las pilas de combustible y los motores de combustión mediante la investigación de la conversión de amoníaco en gas nitrógeno y gas hidrógeno. [dieciséis]
El amoníaco es la molécula más simple que transporta hidrógeno en forma líquida. No contiene carbono y puede producirse utilizando energía renovable. El amoníaco puede convertirse pronto en un combustible de transición debido a su relativa facilidad de almacenamiento y distribución. [17]
Los combustibles emulsionados incluyen múltiples componentes que se mezclan en una emulsión de agua en aceite, que se crean para mejorar las propiedades de combustión del combustible. [18] El diésel también se puede emulsionar con agua para utilizarlo como combustible. [19] Ayuda a mejorar la eficiencia del motor y reducir las emisiones de escape. [20]
El combustible neutro en carbono es un combustible sintético , como metano , gasolina , diésel o combustible para aviones , producido a partir de energía renovable o nuclear que se utiliza para hidrogenar el dióxido de carbono residual reciclado de los gases de escape de las centrales eléctricas o derivado del ácido carbólico en el agua de mar . [21] [22] [23] [24] Dichos combustibles son potencialmente neutros en carbono porque no dan como resultado un aumento neto de los gases de efecto invernadero atmosféricos . [25] [26] 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 combustión o de escape, dan lugar a emisiones de carbono negativas. emisión de dióxido de carbono y eliminación neta de dióxido de carbono de la atmósfera y, por lo tanto, constituyen una forma de remediación de gases de efecto invernadero . [27] [28] [29] Estos combustibles neutros y negativos en carbono se pueden producir mediante la electrólisis del agua para producir hidrógeno utilizado en la reacción de Sabatier para producir metano que luego puede almacenarse para quemarse más tarde en plantas de energía como gas natural sintético. , transportado por tubería , camión o barco cisterna , o ser utilizado en procesos de conversión de gas a líquido como el proceso Fischer-Tropsch para fabricar combustibles tradicionales para transporte o calefacción . [30] [31] [32]
Se han propuesto combustibles neutros en carbono para el almacenamiento distribuido de energía renovable , minimizando los problemas de la energía eólica y solar intermitente y permitiendo la transmisión de energía eólica, hídrica y solar a través de los gasoductos existentes. Estos 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 seguir teniendo vehículos compatibles y asequibles. [30] Alemania ha construido una planta de metano sintético de 250 kilovatios que están ampliando hasta 10 megavatios. [33] [34] [35] Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) neutra en carbono en Werlte, Alemania . [36] 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. [37] Otros desarrollos comerciales se están llevando a cabo en Columbia, Carolina del Sur , [38] Camarillo, California , [39] y Darlington, Inglaterra . [40]
La fuente menos costosa de carbono para reciclar y convertir en combustible son las emisiones de gases de combustión procedentes de la quema de combustibles fósiles , de donde se puede extraer por unos 7,50 dólares estadounidenses la tonelada. [23] [26] [31] También se ha propuesto que la captura de gases de escape de los automóviles es económica, pero requeriría grandes cambios de diseño o modernización. [41] 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. [42] [43] Los investigadores han estimado que la extracción de carbono del agua de mar costaría alrededor de 50 dólares por tonelada. [24] La captura de carbono del aire ambiente es más costosa, entre $ 600 y $ 1000 por tonelada y se considera poco práctica para la síntesis de combustible o el secuestro de carbono . [26] [27]
¿ Quién considera la energía eólica nocturna ? ] la forma más económica de energía eléctrica para sintetizar combustible, porque la curva de carga de electricidad alcanza su punto máximo durante las horas más cálidas del día, pero el viento tiende a soplar un poco más por la noche que durante el día. Por tanto, el precio de la energía eólica nocturna suele ser mucho menos costoso que el de cualquier alternativa. Los precios de la energía eólica fuera de las horas pico en áreas de alta penetración eólica de Estados Unidos promediaron 1,64 centavos por kilovatio-hora en 2009, pero sólo 0,71 centavos/kWh durante las seis horas menos costosas del día. [30] Normalmente, la electricidad al por mayor cuesta entre 2 y 5 centavos/kWh durante el día. [44] Las empresas comerciales de síntesis de combustible sugieren que pueden producir combustible por menos que los combustibles derivados del petróleo cuando el petróleo cuesta más de 55 dólares por barril. [45] 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 eso fue 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 continúan las tendencias recientes. Además, dado que la entrega de combustible a un grupo de batalla de portaaviones cuesta alrededor de 8 dólares por galón, la producción a bordo ya es mucho menos costosa. [46] Sin embargo, la energía nuclear civil estadounidense es considerablemente más cara que la energía eólica. [47] La estimación de la Marina 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 1 dólar por galón. [48]
El hidrógeno es un combustible libre de emisiones. El subproducto de la quema de hidrógeno es agua, aunque algunos óxidos mononitrógenos ( NOx) se producen cuando el hidrógeno se quema con aire. [49] [50]
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. [51] [52]
El HCNG (o H2CNG) es una mezcla de gas natural comprimido y entre un 4 y un 9 por ciento de hidrógeno como energía. [53] El hidrógeno también podría usarse como gas hidroxi para mejorar las características de combustión de los motores de encendido por compresión . [54] El gas hidroxi se obtiene mediante electrólisis del agua. [55]
El motor neumático es un motor de pistón libre de emisiones que utiliza aire comprimido como combustible.
El propano es un combustible de combustión más limpia y de alto rendimiento derivado de múltiples fuentes. Es conocido por muchos nombres, incluidos propano, GLP (gas propano licuado), LPA (autogás de propano líquido), autogás y otros. El propano es un combustible de hidrocarburos y es miembro de la familia del gas natural.
El propano como combustible para automóviles comparte muchos de los atributos físicos de la gasolina y, al mismo tiempo, reduce las emisiones del tubo de escape y las emisiones generales de las ruedas. El propano es el combustible alternativo número uno en el mundo y ofrece abundante suministro, almacenamiento de líquidos a baja presión, un excelente historial de seguridad y grandes ahorros de costos en comparación con los combustibles tradicionales. [56]
El propano ofrece un octanaje entre 104 y 112 [57] dependiendo de la composición de las relaciones butano/propano de la mezcla. El autogás propano en formato de inyección líquida captura el cambio de fase del estado líquido al gaseoso dentro del cilindro del motor de combustión produciendo un efecto "intercooler", reduciendo la temperatura del cilindro y aumentando la densidad del aire. [58] El efecto resultante permite un mayor avance en el ciclo de encendido y una combustión más eficiente del motor.
El propano carece de aditivos, detergentes u otras mejoras químicas, lo que reduce aún más la salida de escape del tubo de escape. La combustión más limpia también tiene menos emisiones de partículas, menores NO x debido a la combustión completa del gas dentro del cilindro, mayores temperaturas de escape aumentando la eficiencia del catalizador y deposita menos ácido y carbón dentro del motor lo que extiende la vida útil del lubricante. aceite. [ cita necesaria ]
En el pozo se genera autogás propano junto con otros productos de gas natural y petróleo. También es un subproducto de los procesos de refinación que aumentan aún más el suministro de propano al mercado.
El propano se almacena y transporta en estado líquido a aproximadamente 5 bar (73 psi) de presión. Los vehículos de abastecimiento de combustible son similares a los de gasolina en la velocidad de entrega con equipos de abastecimiento de combustible modernos. Las estaciones de servicio de propano solo requieren una bomba para transferir el combustible del vehículo y no requieren sistemas de compresión lentos y costosos en comparación con el gas natural comprimido , que generalmente se mantiene a más de 3000 psi (210 bar).
En formato de vehículo, el autogás de propano se puede adaptar a casi cualquier motor y proporciona ahorros en costos de combustible y menores emisiones, a la vez que es más eficiente como sistema general debido a la gran infraestructura de abastecimiento de propano preexistente que no requiere compresores ni los residuos resultantes. de otros combustibles alternativos en ciclos de vida desde el pozo hasta la rueda. [ cita necesaria ]
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 gas natural comprimido (GNC) pueden utilizar tanto GNC renovable como GNC no renovable. [59]
El GNC convencional se produce a partir de las numerosas reservas subterráneas de gas natural que hoy se encuentran en producción generalizada en todo el mundo. Nuevas tecnologías como la perforación horizontal y la fracturación hidráulica para acceder económicamente a recursos de gas no convencionales parecen haber aumentado el suministro de gas natural de manera fundamental. [60]
El gas natural renovable o biogás es un gas a base de metano con propiedades similares al gas natural que puede utilizarse como combustible para el transporte. Las fuentes actuales de biogás son principalmente vertederos, aguas residuales y desechos animales/agrícolas. Según el tipo de proceso, el biogás se puede dividir en lo siguiente: biogás producido por digestión anaeróbica, gas de vertedero recolectado de los vertederos, tratado para eliminar trazas de contaminantes y gas natural sintético (SNG). [59]
En todo el mundo, este gas impulsa a más de 5 millones de vehículos, y poco más de 150.000 de ellos se encuentran en los EE.UU. [61] El uso estadounidense está creciendo a un ritmo espectacular. [62]
Debido a que el gas natural emite menos contaminantes que otros combustibles fósiles cuando se quema, se ha medido una calidad del aire más limpia en localidades urbanas que cambian a vehículos a gas natural. [63] El CO 2 del tubo de escape se puede reducir entre un 15 y un 25 % en comparación con la gasolina y el diésel. [64] Las mayores reducciones se producen en los segmentos de vehículos medianos y pesados, vehículos livianos y camiones de basura. [64]
Mediante el uso de biogás es posible reducir las emisiones de CO 2 hasta en un 88%. [sesenta y cinco]
El gas natural, al igual que el hidrógeno, es un combustible que se quema de forma limpia; Más limpio que los motores de gasolina y diésel. Además, no se emite ninguno de los contaminantes que forman el smog. Tanto el hidrógeno como el gas natural son más ligeros que el aire y pueden mezclarse. [66]
La energía nuclear es cualquier tecnología nuclear diseñada para extraer energía utilizable de núcleos atómicos mediante reacciones nucleares controladas . Actualmente, el único método controlado utiliza la fisión nuclear en un combustible fisible (y una pequeña fracción de la energía proviene de la posterior desintegración radiactiva ). El uso de la fusión nuclear para la generación controlada de energía aún no es práctico, pero es un área activa de investigación. [67]
La energía nuclear generalmente requiere un reactor nuclear para calentar un fluido de trabajo, como el agua, que luego se usa para crear presión de vapor, que se convierte en trabajo mecánico con el fin de generar electricidad o propulsión en 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 propulsados por energía nuclear. [ cita necesaria ]
En teoría, la electricidad de los reactores nucleares también podría utilizarse para la propulsión en el espacio, pero esto aún no se ha demostrado en un vuelo espacial. Algunos reactores más pequeños, como el reactor nuclear TOPAZ , están construidos para minimizar las piezas móviles y utilizan métodos que convierten la energía nuclear en electricidad de forma más directa, lo que los hace útiles para misiones espaciales, pero esta electricidad se ha utilizado históricamente para otros fines. La energía procedente de la fisión nuclear se ha utilizado en varias naves espaciales, todas ellas sin tripulación. Hasta 1988, los soviéticos orbitaban 33 reactores nucleares en satélites de radar militares RORSAT , donde la energía eléctrica generada se utilizaba 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. Cuenta con el respaldo de muchos científicos e investigadores y, según se informa, el profesor James Hansen, ex director del Instituto Goddard de Estudios Espaciales de la NASA , ha dicho: "Después de estudiar el cambio climático durante más de cuatro décadas, para mí está claro que el mundo se encamina hacia una "una catástrofe climática a menos que desarrollemos fuentes de energía adecuadas para reemplazar los combustibles fósiles . Una energía nuclear más segura, más limpia y más barata puede reemplazar al carbón y se necesita desesperadamente como parte esencial de la solución". [68] El torio es de 3 a 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 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 tanto, son muy peligrosas para los mineros, el torio se extrae de minas a cielo abierto. [69] [70] La monacita está presente en países como Australia, Estados Unidos e India, en cantidades lo suficientemente grandes como para alimentar la Tierra durante miles de años. [71] 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), [72] y tiene una vida útil más larga. ciclo. [70]
Para obtener una lista de reactores alimentados con torio experimentales y actualmente en funcionamiento, consulte 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 los radioisótopos genera calor y electricidad en muchas sondas espaciales, particularmente en las sondas dirigidas a planetas exteriores donde la luz solar es débil y las bajas temperaturas son un problema. Los generadores radiotérmicos (RTG) que utilizan radioisótopos como combustible no sostienen una reacción nuclear en cadena, sino que generan electricidad a partir de la desintegración de un radioisótopo. [73]
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