El combustible de etanol es un combustible que contiene alcohol etílico , el mismo tipo de alcohol que se encuentra en las bebidas alcohólicas . Se utiliza con mayor frecuencia como combustible para motores , principalmente como aditivo de biocombustible para la gasolina .
En todo el mundo se utilizan varias mezclas comunes de combustible de etanol . El uso de etanol puro hidratado o anhidro en motores de combustión interna (ICE) sólo es posible si los motores están diseñados o modificados para ese fin. El etanol anhidro se puede mezclar con gasolina (gasolina) para su uso en motores de gasolina, pero con un alto contenido de etanol sólo después de modificaciones en el motor para medir el aumento del volumen de combustible, ya que el etanol puro contiene sólo 2/3 de la energía de un volumen equivalente de gasolina pura. En algunas aplicaciones de motores de carreras se utilizan mezclas de alto porcentaje de etanol, ya que el octanaje muy alto del etanol es compatible con relaciones de compresión muy altas.
El primer automóvil de producción que funciona íntegramente con etanol fue el Fiat 147 , introducido en 1978 en Brasil por Fiat . El etanol se elabora comúnmente a partir de biomasa como el maíz o la caña de azúcar . La producción mundial de etanol para combustible de transporte se triplicó entre 2000 y 2007 de 17 × 10 9 litros (4,5 × 10 9 gal EE.UU.; 3,7 × 10 9 imp gal) a más de 52 × 10 9 litros (14 × 10 9 gal EE.UU.; 11 × 10 9 imp gal). De 2007 a 2008, la participación del etanol en el uso mundial de combustibles tipo gasolina aumentó del 3,7% al 5,4%. [1] En 2011, la producción mundial de combustible de etanol alcanzó 8,46 × 10 9 litros (2,23 × 10 9 gal EE.UU.; 1,86 × 10 9 imp gal) siendo los Estados Unidos de América y Brasil los principales productores, representando el 62,2% y el 25%. de la producción mundial, respectivamente. [2] La producción de etanol en EE. UU. alcanzó 57,54 × 10 9 litros (15,20 × 10 9 gal EE. UU.; 12,66 × 10 9 imp gal) en mayo de 2017. [3]
El combustible de etanol tiene un valor de " equivalencia de galones de gasolina " (GGE) de 1,5, es decir, para reemplazar la energía de 1 volumen de gasolina, se necesita 1,5 veces el volumen de etanol. [4] [5]
El combustible mezclado con etanol se utiliza ampliamente en Brasil , Estados Unidos y Europa (ver también Combustible de etanol por país ). [2] La mayoría de los automóviles que circulan actualmente en las carreteras de EE. UU. pueden funcionar con mezclas de hasta un 15 % de etanol , [6] y el etanol representó el 10 % del suministro de gasolina de EE. UU. derivado de fuentes nacionales en 2011. [2] Algunos vehículos flexibles Los vehículos de combustible pueden utilizar hasta un 100% de etanol.
Desde 1976, el gobierno brasileño ha hecho obligatoria la mezcla de etanol con gasolina, y desde 2007 la mezcla legal es de alrededor del 25% de etanol y el 75% de gasolina (E25). [7] En diciembre de 2011, Brasil tenía una flota de 14,8 millones de automóviles y camiones ligeros de combustible flexible [8] [9] y 1,5 millones de motocicletas de combustible flexible [10] [11] [12] que regularmente utilizan combustible de etanol puro (conocido como E100 ).
El bioetanol es una forma de energía renovable que puede producirse a partir de materias primas agrícolas . Puede elaborarse a partir de cultivos muy comunes como cáñamo , caña de azúcar , papa , yuca y maíz . Ha habido un debate considerable sobre cuán útil es el bioetanol para reemplazar la gasolina. Las preocupaciones sobre su producción y uso se relacionan con el aumento de los precios de los alimentos debido a la gran cantidad de tierra cultivable necesaria para los cultivos, [13] así como con el balance energético y de contaminación de todo el ciclo de producción de etanol, especialmente a partir del maíz. [14] [15]
Durante la fermentación del etanol , la glucosa y otros azúcares del maíz (o de la caña de azúcar u otros cultivos) se convierten en etanol y dióxido de carbono .
La fermentación del etanol no es 100% selectiva con productos secundarios como el ácido acético y los glicoles. En su mayoría se eliminan durante la purificación del etanol. La fermentación se lleva a cabo en una solución acuosa. La solución resultante tiene un contenido de etanol de aproximadamente el 15%. Posteriormente, el etanol se aísla y se purifica mediante una combinación de adsorción y destilación.
Durante la combustión, el etanol reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono, agua y calor:
Las moléculas de almidón y celulosa son cadenas de moléculas de glucosa. También es posible generar etanol a partir de materiales celulósicos. Sin embargo, esto requiere un tratamiento previo que divide la celulosa en moléculas de glucosa y otros azúcares que posteriormente pueden fermentarse. El producto resultante se llama etanol celulósico , indicando su origen.
El etanol también se produce industrialmente a partir de etileno mediante hidratación del doble enlace en presencia de un catalizador y a alta temperatura.
La mayor parte del etanol se produce por fermentación.
Alrededor del 5% del etanol producido en el mundo en 2003 era en realidad un producto del petróleo. [16] Se obtiene mediante la hidratación catalítica de etileno con ácido sulfúrico como catalizador . También se puede obtener a través de etileno o acetileno , a partir de carburo de calcio , carbón , gas de petróleo y otras fuentes. Anualmente se producen dos millones de toneladas cortas (1.786.000 toneladas largas; 1.814.000 t) de etanol derivado del petróleo. Los principales proveedores son plantas en Estados Unidos, Europa y Sudáfrica. [17] El etanol derivado del petróleo (etanol sintético) es químicamente idéntico al bioetanol y sólo puede diferenciarse mediante datación por radiocarbono. [18]
El bioetanol se obtiene normalmente a partir de la conversión de materia prima a base de carbono . Las materias primas agrícolas se consideran renovables porque obtienen energía del sol mediante la fotosíntesis, siempre que todos los minerales necesarios para el crecimiento (como el nitrógeno y el fósforo) regresen a la tierra. El etanol se puede producir a partir de una variedad de materias primas como caña de azúcar , bagazo , miscanthus , remolacha azucarera , sorgo , cereales , pasto varilla , cebada, cáñamo , kenaf , patatas , batatas , mandioca , girasol , frutas , melaza , maíz , rastrojos , grano , trigo , paja , algodón , otra biomasa , así como muchos tipos de desechos y cosechas de celulosa, el que tenga la mejor evaluación de pozo a rueda .
En 2008, la empresa Algenol anunció un proceso alternativo para producir bioetanol a partir de algas . En lugar de cultivar algas y luego cosecharlas y fermentarlas, las algas crecen a la luz del sol y producen etanol directamente, que se elimina sin matar las algas. Se afirma que el proceso puede producir 6.000 galones estadounidenses por acre (5.000 galones imperiales por acre; 56.000 litros por hectárea) por año en comparación con 400 galones estadounidenses por acre (330 imp gal/acre; 3.700 L/ha) para la producción de maíz. [19] En 2015 el proyecto fue abandonado. [20]
Actualmente, [ ¿cuándo? ] los procesos de primera generación para la producción de etanol a partir de maíz utilizan sólo una pequeña parte de la planta de maíz: los granos de maíz se toman de la planta de maíz y sólo el almidón, que representa alrededor del 50% de la masa seca del grano, se transforma en etanol. Se están desarrollando dos tipos de procesos de segunda generación. El primer tipo utiliza enzimas y fermentación de levadura para convertir la celulosa de la planta en etanol, mientras que el segundo tipo utiliza pirólisis para convertir toda la planta en un bioaceite líquido o en gas de síntesis . Los procesos de segunda generación también se pueden utilizar con plantas como pastos, madera o residuos agrícolas como la paja.
Aunque hay varias formas de producir combustible de etanol , la forma más común es mediante fermentación.
Los pasos básicos para la producción de etanol a gran escala son: fermentación microbiana ( levadura ) de azúcares, destilación , deshidratación (los requisitos varían; consulte Mezclas de combustible de etanol, a continuación) y desnaturalización (opcional). Antes de la fermentación, algunos cultivos requieren sacarificación o hidrólisis de carbohidratos como la celulosa y el almidón en azúcares. La sacarificación de la celulosa se llama celulólisis (ver etanol celulósico ). Las enzimas se utilizan para convertir el almidón en azúcar. [21]
El etanol se produce por fermentación microbiana del azúcar. La fermentación microbiana actualmente sólo funciona directamente con azúcares . Dos componentes principales de las plantas, el almidón y la celulosa, están hechos de azúcares y, en principio, pueden convertirse en azúcares para la fermentación. Actualmente, sólo las porciones de azúcar (por ejemplo, caña de azúcar) y almidón (por ejemplo, maíz) pueden convertirse económicamente.
Existe interés en el etanol celulósico obtenido al descomponer la celulosa vegetal en azúcares y convertir los azúcares en etanol. [22] Sin embargo, el etanol celulósico actualmente no es económico y no se practica comercialmente. Según un informe de 2006 de la Agencia Internacional de Energía , el etanol celulósico podría ser importante en el futuro. [23]
Para que el etanol sea utilizable como combustible, se deben eliminar los sólidos de la levadura y la mayor parte del agua. Después de la fermentación, el mosto se calienta para que se evapore el etanol. [24] Este proceso, conocido como destilación , separa el etanol, pero su pureza está limitada al 95-96% debido a la formación de un azeótropo de agua-etanol de bajo punto de ebullición con un máximo (95,6% m/m (96,5% v/ v) etanol y 4,4 % m/m (3,5 % v/v) de agua). Esta mezcla se llama etanol hidratado y puede usarse como combustible solo, pero a diferencia del etanol anhidro , el etanol hidratado no es miscible en todas las proporciones con la gasolina, por lo que la fracción de agua generalmente se elimina en un tratamiento adicional para quemarla en combinación con la gasolina en motores de gasolina. . [25]
Hay tres procesos de deshidratación para eliminar el agua de una mezcla azeotrópica de etanol/agua. El primer proceso, utilizado en muchas de las primeras plantas de etanol combustible, se llama destilación azeotrópica y consiste en añadir benceno o ciclohexano a la mezcla. Cuando estos componentes se agregan a la mezcla, se forma una mezcla azeotrópica heterogénea en equilibrio vapor-líquido-líquido , que cuando se destila produce etanol anhidro en el fondo de la columna y una mezcla de vapor de agua, etanol y ciclohexano/benceno.
Cuando se condensa, se convierte en una mezcla líquida de dos fases. La fase más pesada, pobre en el arrastrador (benceno o ciclohexano), se extrae del arrastrador y se recicla a la alimentación, mientras que la fase más ligera, con el condensado de la extracción, se recicla a la segunda columna. Otro método temprano, llamado destilación extractiva , consiste en agregar un componente ternario que aumenta la volatilidad relativa del etanol. Cuando se destila la mezcla ternaria, se produce etanol anhidro en la corriente superior de la columna.
Dado que se presta cada vez más atención al ahorro de energía, se han propuesto muchos métodos que evitan por completo la destilación para la deshidratación. De estos métodos, ha surgido un tercer método que ha sido adoptado por la mayoría de las plantas modernas de etanol. Este nuevo proceso utiliza tamices moleculares para eliminar el agua del etanol combustible. En este proceso, el vapor de etanol bajo presión pasa a través de un lecho de perlas de tamiz molecular. Los poros de las perlas están dimensionados para permitir la adsorción de agua excluyendo el etanol. Después de un período de tiempo, el lecho se regenera al vacío o en un flujo de atmósfera inerte (por ejemplo, N2 ) para eliminar el agua adsorbida. A menudo se utilizan dos lechos para que uno esté disponible para adsorber agua mientras el otro se regenera. Esta tecnología de deshidratación puede representar un ahorro de energía de 3000 btus/galón (840 k J /L) en comparación con la destilación azeotrópica anterior. [26]
Investigaciones recientes han demostrado que no siempre es necesaria una deshidratación completa antes de mezclarla con gasolina. En cambio, la mezcla azeotrópica se puede mezclar directamente con gasolina de modo que el equilibrio de la fase líquido-líquido pueda ayudar en la eliminación del agua. Una configuración de dos etapas a contracorriente de tanques mezcladores-sedimentadores puede lograr una recuperación completa del etanol en la fase de combustible, con un consumo mínimo de energía. [27]
El etanol es higroscópico , lo que significa que absorbe vapor de agua directamente de la atmósfera. Debido a que el agua absorbida diluye el valor del combustible del etanol y puede causar la separación de fases de las mezclas de etanol y gasolina (lo que provoca que el motor se cale), los contenedores de combustible de etanol deben mantenerse herméticamente cerrados. Esta alta miscibilidad con el agua significa que el etanol no puede transportarse eficientemente a través de tuberías modernas , como los hidrocarburos líquidos, a largas distancias. [28]
La fracción de agua que puede contener un combustible etanol-gasolina sin separación de fases aumenta con el porcentaje de etanol. [29] Por ejemplo, el E30 puede tener hasta aproximadamente un 2% de agua. Si hay más de aproximadamente 71% de etanol, el resto puede ser cualquier proporción de agua o gasolina y no se produce separación de fases. El consumo de combustible disminuye con el aumento del contenido de agua. La mayor solubilidad del agua con mayor contenido de etanol permite poner E30 y etanol hidratado en el mismo tanque, ya que cualquier combinación de ellos siempre da como resultado una sola fase. A temperaturas más bajas se tolera algo menos de agua. Para E10 es aproximadamente 0,5% v/v a 21 °C y disminuye a aproximadamente 0,23% v/v a -34 °C. [30]
Si bien los sistemas de producción de biodiesel se han comercializado para usuarios domésticos y comerciales durante muchos años, los sistemas de producción de etanol comercializados diseñados para uso del consumidor final se han quedado rezagados en el mercado. En 2008, dos empresas diferentes anunciaron sistemas de producción de etanol a escala doméstica. El sistema de combustible avanzado AFS125 [31] de Allard Research and Development es capaz de producir etanol y biodiesel en una sola máquina, mientras que el MicroFueler E-100 [32] de E-Fuel Corporation está dedicado únicamente al etanol.
El etanol contiene aproximadamente un 34% menos de energía por unidad de volumen que la gasolina y, por lo tanto, en teoría, quemar etanol puro en un vehículo reduce la autonomía por unidad de medida en un 34%, dada la misma economía de combustible , en comparación con quemar gasolina pura. Sin embargo, dado que el etanol tiene un octanaje más alto , el motor puede volverse más eficiente aumentando su relación de compresión. [33] [34]
Para el E10 (10% etanol y 90% gasolina), el aumento en el consumo de combustible en vehículos no modificados es pequeño (hasta 2,8%) en comparación con la gasolina convencional, [35] e incluso menor (1-2%) en comparación con la gasolina oxigenada. y mezclas reformuladas. [36] Para E85 (85% de etanol), el efecto se vuelve significativo. El E85 produce un kilometraje menor que la gasolina y requiere un reabastecimiento de combustible más frecuente. El rendimiento real puede variar según el vehículo. Según las pruebas de la EPA para todos los modelos E85 2006, la economía de combustible promedio para los vehículos E85 fue un 25,56% menor que la de la gasolina sin plomo. [37] Al hacer comparaciones de precios se debe tener en cuenta el kilometraje clasificado por la EPA de los actuales vehículos de combustible flexible de los Estados Unidos [38] , pero el E85 es un combustible de alto rendimiento, con un octanaje de aproximadamente 94 a 96, y se debe comparar con de primera calidad. [39] El etanol no es adecuado para la mayoría de los aviones, según la RACQ , así como para algunas motocicletas y motores pequeños, [40] aunque el Embraer EMB 202 Ipanema es un ejemplo de un avión que ha sido diseñado específicamente para su uso con combustible de etanol. en algunas variantes.
Las mezclas con alto contenido de etanol presentan un problema para lograr suficiente presión de vapor para que el combustible se evapore y encienda el encendido durante el clima frío (ya que el etanol tiende a aumentar la entalpía de vaporización del combustible [41] ). Cuando la presión de vapor es inferior a 45 kPa , resulta difícil arrancar un motor frío. [42] Para evitar este problema a temperaturas inferiores a 11 °C (52 °F ) y reducir las mayores emisiones de etanol durante el clima frío, tanto el mercado estadounidense como el europeo adoptaron el E85 como la mezcla máxima para usar en sus vehículos de combustible flexible. y están optimizados para ejecutarse en dicha combinación. En lugares con climas muy fríos, la mezcla de etanol en los EE. UU. tiene una reducción estacional a E70 para estas regiones muy frías, aunque todavía se vende como E85. [43] [44] En lugares donde las temperaturas caen por debajo de -12 °C (10 °F ) durante el invierno, se recomienda instalar un sistema de calefacción del motor, tanto para vehículos de gasolina como para vehículos E85. Suecia tiene una reducción estacional similar, pero el contenido de etanol en la mezcla se reduce a E75 durante los meses de invierno. [44] [45]
Los vehículos brasileños flex fuel pueden operar con mezclas de etanol hasta E100 , que es etanol hidratado (con hasta un 4% de agua), lo que provoca una caída más rápida de la presión de vapor en comparación con los vehículos E85. Como resultado, los vehículos flex brasileños se construyen con un pequeño depósito secundario de gasolina ubicado cerca del motor. Durante un arranque en frío se inyecta gasolina pura para evitar problemas de arranque a bajas temperaturas. Esta disposición es particularmente necesaria para los usuarios de las regiones del sur y centro de Brasil, donde las temperaturas normalmente caen por debajo de los 15 °C (59 °F ) durante el invierno. En 2009 se lanzó una generación de motores flexibles mejorada que elimina la necesidad del tanque de almacenamiento de gas secundario. [46] [47] En marzo de 2009, Volkswagen do Brasil lanzó el Polo E-Flex , el primer modelo brasileño de combustible flexible sin tanque auxiliar para arranque en frío. [48] [49]
En muchos países los automóviles tienen la obligación de funcionar con mezclas de etanol. Todos los vehículos ligeros brasileños están fabricados para funcionar con una mezcla de etanol de hasta el 25% ( E25 ), y desde 1993 una ley federal exige mezclas entre el 22% y el 25% de etanol, y a partir de mediados de julio de 2011 se requiere un 25% . 50] En Estados Unidos, todos los vehículos ligeros se fabrican para funcionar normalmente con una mezcla de etanol al 10% ( E10 ). A finales de 2010, más del 90 por ciento de toda la gasolina vendida en Estados Unidos estaba mezclada con etanol. [51] En enero de 2011, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) emitió una exención para autorizar la venta de hasta un 15% de etanol mezclado con gasolina ( E15 ) únicamente para automóviles y camionetas ligeras con un año de modelo 2001 o posterior. [52] [53]
A partir del año modelo 1999, un número cada vez mayor de vehículos en el mundo se fabrican con motores que pueden funcionar con cualquier combustible desde 0% de etanol hasta 100% de etanol sin modificaciones. Muchos automóviles y camionetas (una clase que incluye minivans , SUV y camionetas ) están diseñados para ser vehículos de combustible flexible que utilizan mezclas de etanol de hasta el 85% ( E85 ) en América del Norte y Europa, y hasta el 100% (E100) en Brasil. . En los modelos más antiguos, sus sistemas de motor contenían sensores de alcohol en el combustible y/o sensores de oxígeno en el escape que proporcionan información a la computadora de control del motor para ajustar la inyección de combustible para lograr aire estequiométrico (sin combustible residual ni oxígeno libre en el escape). Relación combustible-combustible para cualquier mezcla de combustible. En los modelos más nuevos, se quitaron los sensores de alcohol y la computadora usa solo retroalimentación del sensor de oxígeno y flujo de aire para estimar el contenido de alcohol. La computadora de control del motor también puede ajustar (avanzar) el tiempo de encendido para lograr una mayor potencia sin preencendido cuando predice que hay mayores porcentajes de alcohol presentes en el combustible que se quema. Este método está respaldado por sensores de detonación avanzados (utilizados en la mayoría de los motores de gasolina de alto rendimiento, independientemente de si están diseñados para usar etanol o no) que detectan el preencendido y la detonación.
En junio de 2021, India adelantó hasta 2025 su objetivo de implementar un combustible para automóviles con una mezcla del 20% de etanol. La tasa de mezcla de etanol en combustible de la India (en el momento de esta revisión objetivo) es del 8%, que aumentará al 10% para 2022 según la 'Hoja de ruta para la mezcla de etanol en la India 2020-25' publicada el 5 de junio ( World Environment Day ) por el Primer Ministro Narendra Modi . El gobierno espera que las empresas comercializadoras de petróleo, como Indian Oil Corp (IOC) y Hindustan Petroleum Corp Ltd (HPCL), proporcionen combustible mezclado con un 20% de etanol a partir de abril de 2023. Se espera que estados como Maharashtra y Uttar Pradesh, donde hay excedentes de etanol, sean los primeros en adoptar una tasa más alta de mezcla de combustible con etanol. [54] [55] India también está dando prioridad al lanzamiento de vehículos compatibles con combustible mezclado con etanol. A partir de marzo de 2021, los fabricantes de automóviles deben indicar la compatibilidad con el etanol de los vehículos nuevos y los motores deben estar diseñados de manera óptima para utilizar un 20% de combustible mezclado con etanol. El gobierno espera que los fabricantes de automóviles comiencen a producir vehículos compatibles con combustibles mezclados con etanol antes de abril de 2022. [54] Sin embargo, a los ambientalistas les preocupa que el mayor objetivo de la India para la mezcla de etanol pueda incentivar cultivos que requieren un uso intensivo de agua, como la caña de azúcar y el arroz, y sugieren que el gobierno debería centrarse en cultivos que requieren menos agua, como el mijo, ya que la India ya se enfrenta a una grave escasez de agua. [55]
Desde 1989 también funcionan en Suecia motores de etanol basados en el principio diésel. [56] Se utilizan principalmente en autobuses urbanos, pero también en camiones de distribución y recolectores de residuos. Los motores, fabricados por Scania , tienen una relación de compresión modificada y el combustible (conocido como ED95) utilizado es una mezcla de 93,6% de etanol, 3,6% de mejorador de encendido y 2,8% de desnaturalizantes . [57] El mejorador de encendido hace posible que el combustible se encienda en el ciclo de combustión diésel. Entonces también es posible aprovechar la eficiencia energética del principio diésel con etanol. Estos motores han sido utilizados en el Reino Unido por Reading Buses , pero actualmente se está eliminando progresivamente el uso de combustible de bioetanol.
Un estudio del MIT de 2004 y un artículo anterior publicado por la Sociedad de Ingenieros Automotrices identificaron un método para explotar las características del etanol combustible de manera sustancialmente más eficiente que mezclarlo con gasolina. El método presenta la posibilidad de aprovechar el uso de alcohol para lograr una mejora definitiva con respecto a la rentabilidad de los híbridos eléctricos. La mejora consiste en utilizar inyección directa dual de alcohol puro (o el azeótropo o E85) y gasolina, en cualquier proporción hasta el 100% de cualquiera de ellos, en un motor turboalimentado, de alta relación de compresión y pequeña cilindrada con un rendimiento similar. a un motor que tiene el doble de cilindrada. Cada combustible se transporta por separado, con un depósito mucho más pequeño para el alcohol. El motor de alta compresión (para mayor eficiencia) funciona con gasolina común en condiciones de crucero de baja potencia. El alcohol se inyecta directamente en los cilindros (y simultáneamente se reduce la inyección de gasolina) sólo cuando es necesario para suprimir el "golpe", como cuando se acelera significativamente. La inyección directa de cilindros eleva el ya alto octanaje del etanol hasta un valor efectivo de 130. La reducción global calculada del uso de gasolina y de las emisiones de CO 2 es del 30%. El tiempo de recuperación de los costos para el consumidor muestra una mejora de 4:1 con respecto al turbodiésel y una mejora de 5:1 con respecto al híbrido. También se evitan los problemas de absorción de agua en la gasolina premezclada (que causa la separación de fases), problemas de suministro de múltiples proporciones de mezcla y arranque en clima frío. [58] [59]
En un estudio de 2008, controles complejos del motor y una mayor recirculación de gases de escape permitieron una relación de compresión de 19,5 con combustibles que iban desde etanol puro hasta E50. Se logró una eficiencia térmica de aproximadamente la de un diésel. [60] Esto daría como resultado que la economía de combustible de un vehículo de etanol puro fuera aproximadamente la misma que la de uno que quema gasolina.
En junio de 2016, Nissan anunció planes para desarrollar vehículos de pila de combustible propulsados por etanol en lugar de hidrógeno , el combustible elegido por otros fabricantes de automóviles que han desarrollado y comercializado vehículos de pila de combustible, como el Hyundai Tucson FCEV , Toyota Mirai y Honda FCX. Claridad . La principal ventaja de este enfoque técnico es que sería más barato y más fácil implementar la infraestructura de abastecimiento de combustible que establecer la necesaria para suministrar hidrógeno a altas presiones, ya que construir cada estación de abastecimiento de hidrógeno cuesta entre 1 y 2 millones de dólares . [61]
Nissan planea crear una tecnología que utilice combustible de etanol líquido como fuente para generar hidrógeno dentro del propio vehículo. La tecnología utiliza calor para reformar el etanol en hidrógeno para alimentar lo que se conoce como celda de combustible de óxido sólido (SOFC). La pila de combustible genera electricidad para suministrar energía al motor eléctrico que impulsa las ruedas, a través de una batería que maneja las demandas máximas de energía y almacena energía regenerada. El vehículo incluiría un tanque para una mezcla de agua y etanol, que se introduce en un reformador a bordo que lo divide en hidrógeno puro y dióxido de carbono. Según Nissan, el combustible líquido podría ser una mezcla de etanol y agua en una proporción de 55:45. Nissan espera comercializar su tecnología para 2020. [61]
Los principales productores de combustible de etanol del mundo en 2011 fueron Estados Unidos con 13,9 × 10 9 galones estadounidenses (5,3 × 10 10 litros ; 1,16 × 10 10 galones imperiales ) y Brasil con 5,6 × 10 9 galones estadounidenses (2,1 × 10 10 litros; 4,7 × 10 9 galones imperiales), que en conjunto representan el 87,1% de la producción mundial de 22,36 × 10 9 galones estadounidenses (8,46 × 10 10 litros; 1,862 × 10 10 galones imperiales). [2] Fuertes incentivos, junto con otras iniciativas de desarrollo industrial, están dando lugar a incipientes industrias de etanol en países como Alemania, España, Francia, Suecia, China, Tailandia, Canadá, Colombia, India, Australia y algunos países centroamericanos.
† experimental, no en producción comercial
†† dependiendo del método de producción
Toda biomasa pasa por al menos algunos de estos pasos: debe cultivarse, recolectarse, secarse, fermentarse, destilarse y quemarse. Todos estos pasos requieren recursos y una infraestructura. La cantidad total de energía aportada al proceso en comparación con la energía liberada al quemar el combustible de etanol resultante se conoce como balance energético (o " energía devuelta sobre la energía invertida "). Las cifras recopiladas en un informe de 2007 de National Geographic [65] apuntan a resultados modestos para el etanol de maíz producido en Estados Unidos: se requiere una unidad de energía de combustible fósil para crear 1,3 unidades de energía a partir del etanol resultante. El balance energético del etanol de caña de azúcar producido en Brasil es más favorable: se necesita una unidad de energía de combustible fósil para crear 8 a partir de etanol. Las estimaciones del balance energético no son fáciles de producir, por lo que se han generado numerosos informes de este tipo que son contradictorios. Por ejemplo, una encuesta separada informa que la producción de etanol a partir de caña de azúcar, que requiere un clima tropical para crecer productivamente, genera de 8 a 9 unidades de energía por cada unidad gastada, en comparación con el maíz, que solo genera alrededor de 1,34 unidades de energía combustible. por cada unidad de energía gastada. [66] Un estudio de 2006 de la Universidad de California en Berkeley, después de analizar seis estudios separados, concluyó que producir etanol a partir de maíz utiliza mucho menos petróleo que producir gasolina. [67]
El dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero , se emite durante la fermentación y la combustión. Esto se anula por la mayor absorción de dióxido de carbono por parte de las plantas a medida que crecen para producir biomasa. [68] Cuando se produce mediante ciertos métodos, el etanol libera menos gases de efecto invernadero que la gasolina. [69] [70]
En comparación con la gasolina sin plomo convencional , el etanol es una fuente de combustible sin partículas que se quema con oxígeno para formar dióxido de carbono, monóxido de carbono, agua y aldehídos . La Ley de Aire Limpio requiere la adición de oxigenados para reducir las emisiones de monóxido de carbono en los Estados Unidos. El aditivo MTBE se está eliminando actualmente debido a la contaminación de las aguas subterráneas, por lo que el etanol se convierte en un aditivo alternativo atractivo. Los métodos de producción actuales incluyen la contaminación del aire por parte de los fabricantes de fertilizantes con macronutrientes como el amoníaco.
Un estudio realizado por científicos atmosféricos de la Universidad de Stanford encontró que el combustible E85 aumentaría el riesgo de muertes por contaminación del aire en relación con la gasolina en un 9% en Los Ángeles, EE. UU.: una metrópolis urbana muy grande basada en automóviles que es el peor de los casos. [71] Los niveles de ozono aumentan significativamente, lo que aumenta el smog fotoquímico y agrava problemas médicos como el asma. [72] [73]
Brasil quema cantidades significativas de biocombustible de etanol. Se realizaron estudios de cromatografía de gases del aire ambiente en São Paulo, Brasil, y se compararon con Osaka, Japón, que no quema combustible de etanol. El formaldehído atmosférico fue un 160% más alto en Brasil y el acetaldehído un 260% más alto. [74] [ necesita actualización ]
El cálculo de exactamente cuánto dióxido de carbono se produce en la fabricación de bioetanol es un proceso complejo e inexacto y depende en gran medida del método mediante el cual se produce el etanol y de las suposiciones hechas en el cálculo. Un cálculo debe incluir:
Dicho cálculo podrá o no considerar los siguientes efectos:
El gráfico de la derecha muestra las cifras calculadas por el gobierno del Reino Unido a efectos de la obligación de combustible renovable para el transporte . [75]
El artículo Science de enero de 2006 del ERG de UC Berkeley estimó la reducción de GEI del etanol de maíz en un 13% después de revisar una gran cantidad de estudios. En una corrección a ese artículo publicada poco después de su publicación, reducen el valor estimado al 7,4%. Un artículo general de National Geographic (2007) [65] sitúa las cifras en un 22% menos de emisiones de CO 2 en la producción y el uso de etanol de maíz en comparación con la gasolina y una reducción del 56% en el caso del etanol de caña. El fabricante de automóviles Ford informa de una reducción del 70% en las emisiones de CO 2 con bioetanol en comparación con la gasolina para uno de sus vehículos de combustible flexible. [76]
Una complicación adicional es que la producción requiere labrar suelo nuevo [77] , lo que produce una liberación única de GEI que puede llevar décadas o siglos de reducciones de producción en las emisiones de GEI para igualar. [78] A modo de ejemplo, convertir tierras de pasto para producir maíz para producir etanol requiere alrededor de un siglo de ahorro anual para compensar los GEI liberados durante la labranza inicial. [77]
La agricultura a gran escala es necesaria para producir alcohol agrícola y esto requiere cantidades sustanciales de tierra cultivada. Investigadores de la Universidad de Minnesota informan que si todo el maíz cultivado en Estados Unidos se utilizara para producir etanol, desplazaría el 12% del consumo actual de gasolina en Estados Unidos. [79] Hay quienes afirman que las tierras para la producción de etanol se adquieren mediante la deforestación, mientras que otros han observado que las áreas que actualmente albergan bosques generalmente no son aptas para cultivos. [80] [81] En cualquier caso, la agricultura puede implicar una disminución en la fertilidad del suelo debido a la reducción de la materia orgánica, [82] una disminución en la disponibilidad y calidad del agua, un aumento en el uso de pesticidas y fertilizantes, y una potencial dislocación de comunidades locales. [83] La nueva tecnología permite a los agricultores y procesadores producir cada vez más la misma producción utilizando menos insumos. [79]
La producción de etanol celulósico es un nuevo enfoque que puede aliviar el uso de la tierra y las preocupaciones relacionadas. El etanol celulósico se puede producir a partir de cualquier material vegetal, lo que podría duplicar los rendimientos, en un esfuerzo por minimizar el conflicto entre las necesidades de alimentos y las necesidades de combustible. En lugar de utilizar únicamente los subproductos del almidón de la molienda del trigo y otros cultivos, la producción de etanol celulósico maximiza el uso de todos los materiales vegetales, incluido el gluten. Este enfoque tendría una huella de carbono menor porque la cantidad de fertilizantes y fungicidas que consumen mucha energía sigue siendo la misma para una mayor producción de material utilizable. La tecnología para producir etanol celulósico se encuentra actualmente en etapa de comercialización . [84] [23]
La conversión de biomasa en electricidad para cargar vehículos eléctricos puede ser una opción de transporte más "amigable con el clima" que utilizar biomasa para producir combustible de etanol, según un análisis publicado en Science en mayo de 2009 [85]. Los investigadores continúan buscando desarrollos más rentables. tanto en etanol celulósico como en baterías avanzadas para vehículos. [86]
Por cada mil millones de galones de combustible equivalentes a etanol producidos y quemados en Estados Unidos, los costos combinados del cambio climático y la salud son de 469 millones de dólares para la gasolina, de 472 a 952 millones de dólares para el etanol de maíz, dependiendo de la fuente de calor de la biorrefinería (gas natural, rastrojos de maíz o carbón) y tecnología, pero sólo entre 123 y 208 millones de dólares para etanol celulósico dependiendo de la materia prima (biomasa de pradera, Miscanthus, rastrojos de maíz o pasto varilla). [87]
A medida que mejoren los rendimientos de etanol o se introduzcan diferentes materias primas, la producción de etanol puede volverse más viable económicamente en Estados Unidos. Actualmente, se están realizando investigaciones para mejorar el rendimiento de etanol de cada unidad de maíz utilizando biotecnología. Además, mientras los precios del petróleo se mantengan altos, el uso económico de otras materias primas, como la celulosa , se vuelve viable. Los subproductos como la paja o las astillas de madera se pueden convertir en etanol. Las especies de rápido crecimiento, como el pasto varilla, se pueden cultivar en tierras que no son aptas para otros cultivos comerciales y producen altos niveles de etanol por unidad de superficie. [sesenta y cinco]
Una de las razones dadas para la producción extensiva de etanol en Estados Unidos es su beneficio para la seguridad energética , al trasladar la necesidad de parte del petróleo producido en el extranjero a fuentes de energía producidas en el país. [105] [106] La producción de etanol requiere una cantidad significativa de energía, pero la producción actual de Estados Unidos obtiene la mayor parte de esa energía del carbón, el gas natural y otras fuentes, en lugar del petróleo. [107] Debido a que el 66% del petróleo consumido en los EE.UU. es importado, en comparación con un excedente neto de carbón y sólo el 16% del gas natural (cifras de 2006), [108] el desplazamiento de los combustibles derivados del petróleo al etanol produce un cambio de fuentes de energía extranjeras a fuentes nacionales de energía estadounidenses.
Según un análisis realizado en 2008 por la Universidad Estatal de Iowa, el crecimiento de la producción de etanol en Estados Unidos ha provocado que los precios minoristas de la gasolina sean entre 0,29 y 0,40 dólares por galón más bajos de lo que hubieran sido de otro modo. [109]
León Duray se clasificó tercero para las 500 Millas de Indianápolis de 1927 con un automóvil propulsado por etanol. [110] La Serie IndyCar adoptó una mezcla de 10% de etanol para la temporada 2006 y una mezcla de 98% en 2007.
El campeonato americano de autos deportivos Le Mans Series introdujo el E10 en la temporada 2007 para reemplazar la gasolina pura. En la temporada 2008, se permitió el E85 en la clase GT y los equipos comenzaron a cambiarlo. [111]
En 2011, las tres series nacionales de autos stock de NASCAR exigieron un cambio de gasolina a E15, una mezcla de combustible de carreras sin plomo Sunoco GTX y 15% de etanol. [112]
El campeonato australiano de superdeportivos V8 utiliza Shell E85 como combustible para carreras.
El Campeonato Stock Car Brasil funciona con etanol puro, E100.
El combustible de etanol también se puede utilizar como combustible para cohetes . Desde 2010 [actualizar], se utilizan pequeñas cantidades de etanol en aviones ligeros de carreras de cohetes . [113]
El Proyecto Gaia es una organización no gubernamental y sin fines de lucro estadounidense involucrada en la creación de un mercado doméstico comercialmente viable para combustibles a base de alcohol en Etiopía y otros países del mundo en desarrollo . El proyecto considera que los combustibles alcohólicos son una solución a la escasez de combustible, el daño ambiental y los problemas de salud pública causados por la cocina tradicional en el mundo en desarrollo. Dirigido a comunidades pobres y marginadas que enfrentan problemas de salud al cocinar en fuegos contaminantes, Gaia trabaja actualmente en Etiopía , Nigeria , Brasil , Haití y Madagascar , y se encuentra en la etapa de planificación de proyectos en varios otros países. [114]
La investigación del etanol se centra en fuentes alternativas, catalizadores novedosos y procesos de producción. INEOS produjo etanol a partir de material vegetal y desechos de madera. [115] La bacteria E. coli , cuando se modifica genéticamente con genes y enzimas del rumen de vaca , puede producir etanol a partir de rastrojos de maíz . [116] Otras posibles materias primas son los desechos municipales, los productos reciclados, las cáscaras de arroz , el bagazo de caña de azúcar , las astillas de madera, el pasto varilla y el dióxido de carbono . [117] [118]
