Se utilizan diversos alcoholes como combustible para motores de combustión interna . Los primeros cuatro alcoholes alifáticos ( metanol , etanol , propanol y butanol ) son de interés como combustibles porque se pueden sintetizar química o biológicamente y tienen características que permiten su uso en motores de combustión interna. La fórmula química general del alcohol combustible es C n H 2n+1 OH .
La mayor parte del metanol se produce a partir de gas natural, aunque puede producirse a partir de biomasa mediante procesos químicos muy similares. El etanol se produce habitualmente a partir de material biológico mediante procesos de fermentación . El biobutanol tiene la ventaja en los motores de combustión de que su densidad energética es más cercana a la de la gasolina que la de los alcoholes más simples (aunque sigue conservando un índice de octano un 25 % superior); sin embargo, actualmente el biobutanol es más difícil de producir que el etanol o el metanol. Cuando se obtienen a partir de materiales biológicos o procesos biológicos, se conocen como bioalcoholes (por ejemplo, "bioetanol"). No existe ninguna diferencia química entre los alcoholes producidos biológicamente y los producidos químicamente.
Una ventaja que comparten los cuatro principales combustibles a base de alcohol es su alto índice de octano . Esto tiende a aumentar su eficiencia de combustible y compensa en gran medida la menor densidad energética de los combustibles a base de alcohol para vehículos (en comparación con la gasolina y los combustibles diésel), lo que da como resultado un "ahorro de combustible" comparable en términos de distancia por volumen, como kilómetros por litro o millas por galón.
Tanto el metanol como el etanol pueden derivarse de combustibles fósiles , biomasa o de dióxido de carbono y agua. El etanol se ha producido más comúnmente a través de la fermentación de azúcares, y el metanol se ha producido más comúnmente a partir de gas de síntesis, pero existen formas más modernas de obtener estos combustibles. Se pueden utilizar enzimas en lugar de la fermentación. El metanol es la molécula más simple y el etanol se puede hacer a partir de metanol. El metanol se puede producir industrialmente a partir de casi cualquier biomasa, incluidos los desechos animales, o a partir de dióxido de carbono y agua o vapor convirtiendo primero la biomasa en gas de síntesis en un gasificador . También se puede producir en un laboratorio utilizando electrólisis o enzimas. [1]
Como combustible, tanto el metanol como el etanol tienen ventajas y desventajas sobre combustibles como la gasolina y el combustible diésel . En los motores de encendido por chispa, ambos alcoholes pueden funcionar a tasas de recirculación de gases de escape mucho más altas y con relaciones de compresión más altas . Ambos alcoholes tienen un alto índice de octano , con etanol a 109 RON ( Índice de octano de investigación ), 90 MON ( Índice de octano de motor ), (que equivale a 99,5 AKI ) y metanol a 109 RON, 89 MON (que equivale a 99 AKI). [2] Tenga en cuenta que AKI se refiere al " Índice antidetonante ", que promedia las clasificaciones RON y MON (RON+MON)/2, y se utiliza en las bombas de las gasolineras de EE. UU. La gasolina europea común suele ser 95 RON, 85 MON, igual a 90 AKI. Como combustible para motores de encendido por compresión, ambos alcoholes generan muy pocas partículas, pero su bajo índice de cetano significa que se debe mezclar un mejorador de encendido como el glicol con el combustible en una proporción de aproximadamente el 5 %.
Cuando se utilizan en motores de encendido por chispa, los alcoholes tienen el potencial de reducir los NOx , CO , HC y partículas. Una prueba con Chevrolet Luminas alimentados con E85 mostró que los NMHC [3] se redujeron en un 20-22%, los NOx en un 25-32% y el CO en un 12-24% en comparación con la gasolina reformulada. [4] Las emisiones tóxicas de benceno y 1,3-butadieno también disminuyeron, mientras que las emisiones de aldehídos aumentaron ( acetaldehído en particular).
Las emisiones de CO2 del tubo de escape también disminuyen debido a la menor relación carbono-hidrógeno de estos alcoholes y a la mejora de la eficiencia del motor.
Los combustibles de metanol y etanol contienen contaminantes solubles e insolubles. [5] Los iones de haluro , que son contaminantes solubles, como los iones de cloruro, tienen un gran efecto en la corrosividad de los combustibles de alcohol. Los iones de haluro aumentan la corrosión de dos maneras: atacan químicamente las películas de óxido pasivantes en varios metales causando corrosión por picaduras y aumentan la conductividad del combustible. El aumento de la conductividad eléctrica promueve la corrosión eléctrica, galvánica y ordinaria en el sistema de combustible. Los contaminantes solubles como el hidróxido de aluminio, en sí mismo un producto de la corrosión por iones de haluro, obstruyen el sistema de combustible con el tiempo.
Para evitar la corrosión, el sistema de combustible debe estar fabricado con materiales adecuados, los cables eléctricos deben estar adecuadamente aislados y el sensor de nivel de combustible debe ser de tipo pulso y retención, magnetorresistivo u otro tipo similar sin contacto. Además, el alcohol de alta calidad debe tener una baja concentración de contaminantes y tener un inhibidor de corrosión adecuado añadido. La evidencia científica revela que el agua es un inhibidor de la corrosión por etanol. [6]
Los experimentos se realizan con E50, que es más agresivo y acelera el efecto de la corrosión. Está muy claro que al aumentar la cantidad de agua en el etanol combustible se puede reducir la corrosión. Con un 2% o 20.000 ppm de agua en el combustible de etanol, la corrosión se detuvo. En línea con las observaciones en Japón, se sabe que el etanol hidratado es menos corrosivo que el etanol anhidro. El mecanismo de reacción es 3 EtOH + Al -> Al(OEt) 3 + 3 ⁄2 H2 en mezclas bajas - medias. Cuando hay suficiente agua presente en el combustible, el aluminio reaccionará preferiblemente con agua para producir Al2O3 , reparando la capa protectora de óxido de aluminio. El alcóxido de aluminio no forma una capa de óxido compacta; el agua es esencial para reparar los agujeros en la capa de óxido.
El metanol y el etanol son incompatibles con algunos polímeros. El alcohol reacciona con los polímeros y provoca hinchazón, y con el tiempo el oxígeno rompe los enlaces carbono-carbono del polímero, lo que provoca una reducción de la resistencia a la tracción. Sin embargo, durante las últimas décadas, la mayoría de los automóviles se han diseñado para tolerar hasta un 10 % de etanol (E10) sin problemas. Esto incluye tanto la compatibilidad del sistema de combustible como la compensación lambda [ aclaración necesaria ] del suministro de combustible con motores de inyección de combustible que cuentan con control lambda de circuito cerrado. En algunos motores, el etanol puede degradar algunas composiciones de componentes de suministro de combustible de plástico o caucho diseñados para gasolina convencional, y también puede ser incapaz de compensar lambda del combustible de manera adecuada. [ cita requerida ]
Los vehículos "FlexFuel" tienen un sistema de combustible y componentes del motor mejorados que están diseñados para una larga vida útil utilizando E85 o M85, y la ECU puede adaptarse a cualquier mezcla de combustible entre gasolina y E85 o M85. Las mejoras típicas incluyen modificaciones a: tanques de combustible, cableado eléctrico del tanque de combustible, bombas de combustible, filtros de combustible, líneas de combustible, tubos de llenado, sensores de nivel de combustible, inyectores de combustible, sellos, rieles de combustible, reguladores de presión de combustible, asientos de válvulas y válvulas de admisión. Los autos "Total Flex" destinados al mercado brasileño pueden usar E100 (etanol al 100%). [ cita requerida ]
Un litro de etanol libera 21,1 MJ en la combustión, un litro de metanol 15,8 MJ y un litro de gasolina aproximadamente 32,6 MJ. En otras palabras, para el mismo contenido energético que un litro o un galón de gasolina, se necesitan 1,6 litros/galones de etanol y 2,1 litros/galones de metanol. Sin embargo, las cifras brutas de energía por volumen producen cifras de consumo de combustible engañosas, porque los motores alimentados con alcohol pueden hacerse sustancialmente más eficientes energéticamente. Un porcentaje mayor de la energía liberada por la combustión de un litro de combustible de alcohol puede convertirse en trabajo útil. Esta diferencia en la eficiencia puede compensar parcial o totalmente la diferencia de densidad energética, [ cita requerida ] dependiendo de los motores particulares que se comparen.
El metanol como combustible se ha propuesto como un futuro biocombustible, a menudo como una alternativa a la economía del hidrógeno . El metanol tiene una larga historia como combustible de carreras. Las primeras carreras de Grand Prix usaban mezclas combinadas, así como metanol puro. El combustible se usó principalmente en América del Norte después de la guerra. [ aclaración necesaria ] Sin embargo, el metanol para fines de carreras se ha basado en gran medida en metanol producido a partir de gas de síntesis derivado del gas natural y, por lo tanto, este metanol no se consideraría un biocombustible. Sin embargo, el metanol es un posible biocombustible cuando el gas de síntesis se deriva de la biomasa .
En teoría, el metanol también se puede producir a partir de biomasa de origen sostenible y, en última instancia, de dióxido de carbono, y mediante electrólisis de hidrógeno utilizando energía nuclear, energía geotérmica o alguna otra fuente de energía renovable (véase Carbon Recycling International ). En comparación con el bioetanol, la principal ventaja del biocombustible de metanol es su eficiencia mucho mayor desde el pozo hasta la rueda. Esto es particularmente relevante en climas templados donde se necesitan fertilizantes para cultivar azúcar o almidón para producir etanol, mientras que el metanol se puede producir a partir de biomasa lignocelulósica (leñosa) sin fertilizar.
El etanol ya se utiliza ampliamente como aditivo para combustibles y su uso, solo o como parte de una mezcla con gasolina, está aumentando. En comparación con el metanol, su principal ventaja es que es menos corrosivo y no tóxico, aunque el combustible produce algunas emisiones tóxicas. Desde 2007, la Indy Racing League ha utilizado el etanol como combustible exclusivo, después de 40 años de utilizar metanol. [7] Desde septiembre de 2007, las estaciones de servicio de Nueva Gales del Sur (Australia) tienen la obligación de suministrar toda su gasolina con un contenido de etanol del 2 % [8].
El propanol y el butanol son considerablemente menos tóxicos y menos volátiles que el metanol. En particular, el butanol tiene un punto de inflamación elevado de 35 °C, lo que es una ventaja para la seguridad contra incendios, pero puede ser una dificultad para arrancar motores en climas fríos. Sin embargo, el concepto de punto de inflamación no es directamente aplicable a los motores, ya que la compresión del aire en el cilindro significa que la temperatura es de varios cientos de grados Celsius antes de que se produzca la ignición.
Los procesos de fermentación para producir propanol y butanol a partir de celulosa son bastante complicados de ejecutar, y el organismo Weizmann ( Clostridium acetobutylicum ) que se utiliza actualmente para realizar estas conversiones produce un olor extremadamente desagradable, y esto debe tenerse en cuenta al diseñar y ubicar una planta de fermentación. Este organismo también muere cuando el contenido de butanol de lo que esté fermentando aumenta al 2%. [9] A modo de comparación, la levadura muere cuando el contenido de etanol de su materia prima llega al 14%. Las cepas especializadas pueden tolerar concentraciones de etanol incluso mayores: la llamada levadura turbo puede soportar hasta un 16% de etanol. [10] Sin embargo, si la levadura Saccharomyces común puede modificarse para mejorar su resistencia al etanol, los científicos podrían algún día producir una cepa del organismo Weizmann con una resistencia al butanol superior al límite natural del 7%. Esto sería útil porque el butanol tiene una mayor densidad de energía de combustión que el etanol, y porque las fibras de desecho de los cultivos de azúcar utilizados para producir etanol podrían transformarse en butanol, aumentando el rendimiento de alcohol de los cultivos combustibles sin necesidad de plantar más cultivos.
A pesar de estos inconvenientes, DuPont y BP han anunciado recientemente que construirán conjuntamente una planta de demostración de combustible de butanol a pequeña escala [11] junto con la gran planta de bioetanol que están desarrollando conjuntamente con Associated British Foods .
La empresa Energy Environment International desarrolló un método para producir butanol a partir de biomasa, que implica el uso de dos microorganismos separados en secuencia para minimizar la producción de subproductos de acetona y etanol. [12]
La empresa suiza Butalco GmbH utiliza una tecnología especial para modificar levaduras con el fin de producir butanol en lugar de etanol. Las levaduras como organismos productores de butanol tienen ventajas decisivas en comparación con las bacterias. [13]
Combustión de butanol: C 4 H 9 OH + 6O 2 → 4CO 2 + 5H 2 O + calor
Combustión de propanol: 2C 3 H 7 OH + 9O 2 → 6 CO 2 + 8H 2 O + calor
El alcohol de tres carbonos, propanol (C3H7OH ) , no se utiliza a menudo como fuente de combustible directa para motores de gasolina (a diferencia del etanol, el metanol y el butanol), y la mayoría se utiliza como disolvente. Sin embargo, se utiliza como fuente de hidrógeno en algunos tipos de pilas de combustible; puede generar un voltaje más alto que el metanol, que es el combustible de elección para la mayoría de las pilas de combustible basadas en alcohol. Sin embargo, dado que el propanol es más difícil de producir que el metanol (de forma biológica o a partir del petróleo), las pilas de combustible que utilizan metanol son preferidas a las que utilizan propanol.
Brasil era hasta hace poco el mayor productor de alcohol carburante del mundo, generalmente fermentando etanol de caña de azúcar .
El país produce un total de 18 mil millones de litros (4,8 mil millones de galones) anualmente, de los cuales 3,5 mil millones de litros se exportan, 2 mil millones de ellos a los EE. UU. [15] Los automóviles con alcohol debutaron en el mercado brasileño en 1979 y se volvieron bastante populares debido a un fuerte subsidio, pero en la década de 1980 los precios aumentaron y la gasolina recuperó la principal participación de mercado. [16]
Sin embargo, a partir de 2003, el alcohol volvió a aumentar rápidamente su participación en el mercado debido a las nuevas tecnologías que involucran motores de combustible flexible , [17] llamados "Flex" o "Total Flex" por todos los grandes fabricantes de automóviles ( Volkswagen , General Motors , Fiat , etc.). Los motores "Flex" funcionan con gasolina, alcohol o cualquier mezcla de ambos combustibles. En mayo de 2009, más del 88% de los vehículos nuevos vendidos en Brasil son de combustible flexible. [18]
Debido a la producción y tecnología líderes brasileñas, muchos países se interesaron en importar alcohol como combustible y adoptar el concepto de vehículo "Flex". [17] El 7 de marzo de 2007, el presidente estadounidense George W. Bush visitó la ciudad de São Paulo para firmar acuerdos con el presidente brasileño Luiz Inácio Lula da Silva sobre la importación de alcohol y su tecnología como combustible alternativo. [19]
Ya en 1935, China fabricaba automóviles propulsados por alcohol como combustible. [20] China informó que con un uso de metanol del 70% en la gasolina convencional se independizó del petróleo crudo .
El Comité Nacional de Planificación y Coordinación de Acciones para Automóviles Limpios había incluido en su agenda principal las tecnologías clave relacionadas con el combustible de alcohol/éter y la industrialización acelerada. Los combustibles de alcohol habían pasado a formar parte de los cinco principales combustibles alternativos: dos de los cuales eran alcoholes, metanol y etanol [21].
A finales de 2007, Estados Unidos producía 26.900 millones de litros (7.000 millones de galones) al año. [22] El E10 o gasohol se comercializa habitualmente en Delaware y el E85 se encuentra en muchos estados, en particular en el Medio Oeste, donde el etanol de maíz se produce localmente.
Muchos estados y municipios han ordenado que toda la gasolina se mezcle con un 10 por ciento de alcohol (normalmente etanol) durante parte o todo el año. Esto tiene como objetivo reducir la contaminación y permite que estas zonas cumplan con los límites federales de contaminación. Como el alcohol está parcialmente oxigenado, produce menos contaminación general, incluido el ozono . En algunas zonas (en particular, California), las reglamentaciones también pueden exigir otras fórmulas o productos químicos añadidos que reducen la contaminación, pero añaden complejidad a la distribución del combustible y aumentan su coste.
El primer combustible de alcohol en Japón fue el GAIAX en 1999. El GAIAX se desarrolló en Corea del Sur y fue importado por Japón. El ingrediente principal era el metanol.
Como el GAIAX no era gasolina, estaba exento de impuestos en el marco del impuesto a la gasolina de Japón. Sin embargo, como resultado, el uso de GAIAX llegó a ser considerado un acto de contrabando en Japón por parte del gobierno y la industria petrolera. La venta minorista de GAIAX se realizó para evitar las críticas por evasión fiscal al pagar de forma independiente el impuesto al combustible diésel según las regulaciones del sistema legal.
Los incendios accidentales de vehículos en los que se repostaba GAIAX empezaron a notificarse alrededor del año 2000, cuando el debate sobre la evasión fiscal estaba casi terminado. La industria automovilística japonesa criticó al GAIAX, diciendo que "los incendios se produjeron porque el alcohol de alta densidad había corroído las tuberías de combustible". Se denominó al GAIAX "combustible de alcohol de alta densidad" y se llevó a cabo una campaña para excluirlo del mercado a largo plazo. Finalmente, el Ministerio de Economía, Comercio e Industria también se unió a esta campaña. [26]
En 2003, se revisó el método de calidad de la gasolina con el pretexto de preocupaciones de seguridad. Esto prohibió la fabricación y venta de "combustible de alcohol de alta densidad" y agregó una prohibición sustancial de ventas de GAIAX. Con la revisión de la ley, los fabricantes de combustible tienen prohibido agregar un 3% o más de alcohol a la gasolina. Esta revisión de la ley es motivo para no poder vender combustible de alcohol de más de E3 en Japón.
La industria petrolera japonesa está investigando y desarrollando un combustible de alcohol original que difiere del GAIAX. Sin embargo, la fabricación y venta comercial de cualquier combustible nuevo puede verse prohibida por las leyes vigentes que actualmente excluyen al GAIAX del mercado. Además, la fuerte aversión del consumidor japonés a cualquier tipo de combustible de alcohol de alta densidad puede impedir el éxito comercial de cualquier combustible nuevo.
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