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 gasolina .
En todo el mundo se utilizan varias mezclas de combustible de etanol comunes . El uso de etanol puro hidratado o anhidro en motores de combustión interna (ICE) solo es posible si los motores están diseñados o modificados para ese propósito. El etanol anhidro se puede mezclar con gasolina para su uso en motores de gasolina, pero con un alto contenido de etanol solo después de realizar modificaciones en el motor para medir el mayor volumen de combustible, ya que el etanol puro contiene solo 2/3 de la energía de un volumen equivalente de gasolina pura. Las mezclas de etanol de alto porcentaje se utilizan en algunas aplicaciones de motores de carreras, ya que el alto índice de octano del etanol es compatible con relaciones de compresión muy altas.
El primer automóvil de producción que funcionaba completamente con etanol fue el Fiat 147 , introducido en 1978 en Brasil por Fiat . El etanol se fabrica 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 galones estadounidenses; 3,7 × 10 9 galones imperiales) a más de 52 × 10 9 litros (14 × 10 9 galones estadounidenses; 11 × 10 9 galones imperiales). De 2007 a 2008, la participación del etanol en el uso mundial de combustible tipo gasolina aumentó del 3,7% al 5,4%. [1] En 2011, la producción mundial de combustible de etanol alcanzó los 8,46 × 10 9 litros (2,23 × 10 9 galones estadounidenses; 1,86 × 10 9 galones imperiales), 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 de EE. UU. alcanzó los 57,54 × 10 9 litros (15,20 × 10 9 galones estadounidenses; 12,66 × 10 9 galones imperiales) en mayo de 2017. [3]
El combustible de etanol tiene un valor de " equivalencia de galón 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 usa ampliamente en Brasil , Estados Unidos y Europa (ver también Combustible de etanol por país ). [2] La mayoría de los automóviles en las carreteras hoy en día en los EE. UU. pueden funcionar con mezclas de hasta un 15 % de etanol , [6] y el etanol representó el 10 % del suministro de combustible de gasolina estadounidense derivado de fuentes nacionales en 2011. [2] Algunos vehículos de combustible flexible pueden usar hasta un 100 % de etanol.
Desde 1976, el gobierno brasileño ha hecho obligatorio mezclar etanol con gasolina, y desde 2007 la mezcla legal es de alrededor de 25% de etanol y 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 utilizan regularmente combustible de etanol puro (conocido como E100 ).
El bioetanol es una forma de energía renovable que se puede producir a partir de materias primas agrícolas . Puede fabricarse a partir de cultivos muy comunes como el cáñamo , la caña de azúcar , la patata , la mandioca y el maíz . Ha habido un considerable debate sobre la utilidad del bioetanol para sustituir a 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. Estos se eliminan en su mayoría durante la purificación del etanol. La fermentación se lleva a cabo en una solución acuosa. La solución resultante tiene un contenido de etanol de alrededor del 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 pretratamiento que divide la celulosa en moléculas de glucosa y otros azúcares que posteriormente pueden fermentarse. El producto resultante se llama etanol celulósico , lo que indica su origen.
El etanol también se produce industrialmente a partir del etileno mediante hidratación del doble enlace en presencia de un catalizador y alta temperatura.
La mayor parte del etanol se produce por fermentación.
Alrededor del 5% del etanol producido en el mundo en 2003 fue en realidad un producto derivado del petróleo. [16] Se obtiene mediante la hidratación catalítica del etileno con ácido sulfúrico como catalizador . También se puede obtener a través del etileno o el 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 los Estados Unidos, Europa y Sudáfrica. [17] El etanol derivado del petróleo (etanol sintético) es químicamente idéntico al bioetanol y solo se puede diferenciar mediante la datación por radiocarbono. [18]
El bioetanol se obtiene generalmente a partir de la conversión de materias primas basadas en carbono . Las materias primas agrícolas se consideran renovables porque obtienen energía del sol mediante la fotosíntesis, siempre que se devuelvan a la tierra todos los minerales necesarios para el crecimiento (como el nitrógeno y el fósforo). El etanol se puede producir a partir de una variedad de materias primas, como la caña de azúcar , el bagazo , el miscanthus , la remolacha azucarera , el sorgo , los cereales, el pasto varilla , la cebada, el cáñamo , el kenaf , las patatas , las batatas , la mandioca , el girasol , la fruta , la melaza , el maíz , el rastrojo , los cereales , el trigo , la paja , el algodón y otra biomasa , así como muchos tipos de residuos de celulosa y de la cosecha, cualquiera que tenga la mejor evaluación del pozo a la 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 bajo la luz del sol y producen etanol directamente, que se extrae sin matar las algas. Se afirma que el proceso puede producir 6000 galones estadounidenses por acre (5000 galones imperiales por acre; 56 000 litros por hectárea) por año, en comparación con los 400 galones estadounidenses por acre (330 galones imperiales/acre; 3700 L/ha) necesarios para la producción de maíz. [19] En 2015, el proyecto fue abandonado. [20]
En la actualidad, [¿ cuándo? ] los procesos de primera generación para la producción de etanol a partir de maíz utilizan solo una pequeña parte de la planta de maíz: los granos de maíz se toman de la planta de maíz y solo el almidón, que representa aproximadamente el 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 bio-oil líquido o un gas de síntesis . Los procesos de segunda generación también se pueden utilizar con plantas como pastos, madera o material de desecho agrícola como la paja.
Aunque existen varias formas de producir combustible de etanol , la forma más común es mediante la fermentación.
Los pasos básicos para la producción a gran escala de etanol 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 la sacarificación o hidrólisis de carbohidratos como la celulosa y el almidón en azúcares. La sacarificación de la celulosa se llama celulólisis (consulte etanol celulósico ). Se utilizan enzimas para convertir el almidón en azúcar. [21]
El etanol se produce por fermentación microbiana del azúcar. Actualmente, la fermentación microbiana solo funciona directamente con azúcares . Dos componentes principales de las plantas, el almidón y la celulosa, están hechos de azúcares y, en principio, se pueden convertir en azúcares para la fermentación. Actualmente, solo las porciones de azúcar (por ejemplo, caña de azúcar) y almidón (por ejemplo, maíz) se pueden convertir de manera económica.
Existe interés en el etanol celulósico obtenido a partir de la descomposición de la celulosa vegetal en azúcares y la conversión de estos últimos en etanol. [22] Sin embargo, actualmente el etanol celulósico no es rentable y no se utiliza comercialmente. Según un informe de la Agencia Internacional de Energía de 2006 , el etanol celulósico podría ser importante en el futuro. [23]
Para que el etanol sea utilizable como combustible, se deben eliminar los sólidos de levadura y la mayor parte del agua. Después de la fermentación, el puré se calienta para que el etanol se evapore. [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 de (95,6% m/m (96,5% v/v) de etanol y 4,4% m/m (3,5% v/v) de agua). Esta mezcla se llama etanol hidratado y se puede utilizar 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 normalmente se elimina en un tratamiento posterior para quemarlo en combinación con la gasolina en los motores de gasolina. [25]
Existen tres procesos de deshidratación para eliminar el agua de una mezcla azeotrópica de etanol y agua. El primer proceso, utilizado en muchas de las primeras plantas de etanol combustible, se denomina destilación azeotrópica y consiste en añadir benceno o ciclohexano a la mezcla. Cuando se añaden estos componentes a la mezcla, se forma una mezcla azeotrópica heterogénea en equilibrio vapor-líquido-líquido , que al destilarse 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 despoja del arrastrador y se recicla a la alimentación, mientras que la fase más ligera, con 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, produce etanol anhidro en la corriente superior de la columna.
Con la creciente atención que se presta 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 de etanol modernas. 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 tienen un tamaño que permite la adsorción de agua mientras se excluye el etanol. Después de un período de tiempo, el lecho se regenera al vacío o en el flujo de una atmósfera inerte (por ejemplo, N 2 ) para eliminar el agua adsorbida. A menudo se utilizan dos lechos para que uno esté disponible para adsorber agua mientras se regenera el otro. 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 la deshidratación completa antes de mezclar con gasolina. En cambio, la mezcla azeotrópica se puede mezclar directamente con gasolina para que el equilibrio de fase líquido-líquido pueda ayudar a la eliminación de agua. Una configuración de contracorriente de dos etapas de tanques mezcladores-decantadores 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 combustible del etanol y puede causar la separación de fases de las mezclas de etanol y gasolina (lo que provoca el estancamiento del motor), los contenedores de combustibles de etanol deben mantenerse herméticamente sellados. Esta alta miscibilidad con el agua significa que el etanol no puede transportarse de manera eficiente a través de tuberías modernas , como los hidrocarburos líquidos, a largas distancias. [28]
La fracción de agua que puede contener un combustible de etanol y 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 un 71 % de etanol, el resto puede ser cualquier proporción de agua o gasolina y no se produce la separación de fases. El consumo de combustible disminuye con un mayor contenido de agua. La mayor solubilidad del agua con un mayor contenido de etanol permite que el E30 y el etanol hidratado se coloquen en el mismo tanque, ya que cualquier combinación de ellos siempre da como resultado una sola fase. Se tolera algo menos de agua a temperaturas más bajas. Para el E10 es de aproximadamente un 0,5 % v/v a 21 °C y disminuye a aproximadamente un 0,23 % v/v a −34 °C. [30]
Si bien los sistemas de producción de biodiésel se han comercializado para usuarios domésticos y comerciales durante muchos años, los sistemas de producción de etanol comercializados diseñados para el uso del consumidor final 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 tanto etanol como biodiésel en una sola máquina, mientras que el E-100 MicroFueler [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 la quema de gasolina pura. Sin embargo, dado que el etanol tiene un índice de octano más alto , el motor puede volverse más eficiente aumentando su relación de compresión. [33] [34]
En el caso del E10 (10 % de etanol y 90 % de gasolina), el aumento del consumo de combustible en vehículos sin modificar es pequeño (hasta un 2,8 %) en comparación con la gasolina convencional [35] , e incluso menor (1-2 %) en comparación con las mezclas oxigenadas y reformuladas [36] . En el caso del E85 (85 % de etanol), el efecto se vuelve significativo. El E85 produce un menor kilometraje que la gasolina y requiere un reabastecimiento más frecuente. El rendimiento real puede variar según el vehículo. Según las pruebas de la EPA para todos los modelos E85 de 2006, el ahorro de combustible promedio para los vehículos E85 fue un 25,56 % menor que la gasolina sin plomo [37] . El kilometraje calificado por la EPA de los vehículos actuales de combustible flexible de los Estados Unidos [38] debe tenerse en cuenta al hacer comparaciones de precios, pero el E85 es un combustible de alto rendimiento, con un octanaje de aproximadamente 94-96, y debe compararse con el premium. [39] El etanol no es adecuado para la mayoría de las aeronaves, según el RACQ , así como para algunas motocicletas y motores pequeños, [40] aunque el Embraer EMB 202 Ipanema es un ejemplo de una aeronave que ha sido diseñada específicamente para su uso con combustible de etanol en algunas variantes.
Las mezclas altas 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 está por debajo de 45 kPa , arrancar un motor frío se vuelve difícil. [42] Para evitar este problema a temperaturas inferiores a 11 °C (52 °F ), y para reducir las emisiones más altas de etanol durante el clima frío, tanto los mercados de EE. UU. como los europeos adoptaron E85 como la mezcla máxima para usar en sus vehículos de combustible flexible, y están optimizados para funcionar con dicha mezcla. En lugares con clima frío severo, 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 los −12 °C (10 °F ) durante el invierno, se recomienda instalar un sistema de calentamiento del motor, tanto para vehículos de gasolina como E85. En Suecia existe 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 flex fuel brasileños pueden funcionar con mezclas de etanol hasta E100 , que es etanol hidratado (con hasta un 4% de agua), lo que hace que la presión de vapor caiga más rápido en comparación con los vehículos E85. Como resultado, los vehículos flex fuel 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 sur y central de Brasil, donde las temperaturas normalmente caen por debajo de los 15 °C (59 °F ) durante el invierno. En 2009 se lanzó una generación mejorada de motores flex 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 un tanque auxiliar para arranque en frío. [48] [49]
En muchos países, los automóviles deben funcionar con mezclas de etanol. Todos los vehículos livianos brasileños están diseñados para funcionar con una mezcla de etanol de hasta un 25% ( E25 ), y desde 1993 una ley federal requiere mezclas de entre un 22% y un 25% de etanol, y a mediados de julio de 2011 se exigió un 25%. [50] En los Estados Unidos, todos los vehículos livianos están diseñados para funcionar normalmente con una mezcla de etanol del 10% ( E10 ). A fines de 2010, más del 90 por ciento de toda la gasolina vendida en los EE. UU. estaba mezclada con etanol. [51] En enero de 2011, la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) emitió una exención para autorizar la venta de hasta un 15% de etanol mezclado con gasolina ( E15 ) solo para automóviles y camionetas livianas con un año de modelo de 2001 o más nuevo. [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 modificación. Muchos automóviles y camionetas ligeras (una clase que incluye minivans , SUV y camionetas pickup ) están diseñados para ser vehículos de combustible flexible que utilizan mezclas de etanol de hasta 85% ( E85 ) en América del Norte y Europa, y hasta 100% (E100) en Brasil. En los años modelo 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 una relación aire-combustible estequiométrica (sin combustible residual u oxígeno libre en el escape) para cualquier mezcla de combustible. En los modelos más nuevos, se han eliminado los sensores de alcohol, y la computadora usa solo la retroalimentación del sensor de oxígeno y flujo de aire para estimar el contenido de alcohol. La computadora de control del motor también puede ajustar (adelantar) el tiempo de encendido para lograr una mayor potencia sin preignición cuando predice que hay porcentajes más altos de alcohol en el combustible que se está quemando. Este método está respaldado por sensores de detonación avanzados (que se utilizan en la mayoría de los motores de gasolina de alto rendimiento, independientemente de si están diseñados para usar etanol o no) que detectan la preignición y la detonación.
En junio de 2021, India adelantó a 2025 su objetivo de implementar un combustible para automóviles mezclado con etanol al 20%. La tasa de mezcla de etanol en el combustible de la India (en el momento de esta revisión del objetivo) es del 8%, que se 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 ( Día Mundial del Medio Ambiente ) por el Primer Ministro Narendra Modi . El gobierno espera que las empresas de comercialización de petróleo como Indian Oil Corp (IOC) y Hindustan Petroleum Corp Ltd (HPCL) proporcionen combustible mezclado con etanol al 20% a partir de abril de 2023. Se espera que estados como Maharashtra y Uttar Pradesh, donde el etanol es excedentario, sean los primeros en adoptar la tasa más alta de mezcla de combustible de etanol. [54] [55] India también está priorizando la implementación de vehículos compatibles con combustible mezclado con etanol. A partir de marzo de 2021, los fabricantes de automóviles deben indicar la compatibilidad de los vehículos nuevos con el etanol y los motores deben estar diseñados de manera óptima para utilizar combustible mezclado con etanol al 20 %. El gobierno espera que los fabricantes de automóviles comiencen a producir vehículos que cumplan con los requisitos de combustible mezclado con etanol antes de abril de 2022. [54] Sin embargo, los ambientalistas temen que el aumento del 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 un uso más intensivo de agua, como el mijo, ya que la India ya enfrenta 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 recogedores 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 y 3,6 % de mejorador de encendido y 2,8 % de desnaturalizantes . [57] El mejorador de encendido permite que el combustible se encienda en el ciclo de combustión diésel. Entonces también es posible utilizar la eficiencia energética del principio diésel con etanol. Estos motores han sido utilizados en el Reino Unido por Reading Buses , pero ahora se está eliminando gradualmente 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 mezclándolo con gasolina. El método presenta la posibilidad de aprovechar el uso del alcohol para lograr una mejora definitiva con respecto a la relación costo-beneficio de los híbridos eléctricos. La mejora consiste en utilizar una inyección directa de combustible dual de alcohol puro (o el azeótropo o E85) y gasolina, en cualquier proporción hasta el 100% de cualquiera de los dos, en un motor turboalimentado de alta relación de compresión y pequeña cilindrada que tiene un rendimiento similar al de un motor con el doble de cilindrada. Cada combustible se transporta por separado, con un tanque mucho más pequeño para el alcohol. El motor de alta compresión (para una mayor eficiencia) funciona con gasolina común en condiciones de crucero de baja potencia. El alcohol se inyecta directamente en los cilindros (y la inyección de gasolina se reduce simultáneamente) solo cuando es necesario para suprimir el "golpeteo", como cuando se acelera significativamente. La inyección directa en el cilindro eleva el ya alto índice de octano del etanol hasta un efectivo 130. La reducción total calculada del uso de gasolina y de las emisiones de CO2 es del 30%. El tiempo de recuperación de la inversión para el consumidor muestra una mejora de 4:1 con respecto al turbodiésel y de 5:1 con respecto al híbrido. También se evitan los problemas de absorción de agua en la gasolina premezclada (que causa separación de fases), los problemas de suministro de múltiples proporciones de mezcla y el arranque en climas fríos. [58] [59]
En un estudio de 2008, los complejos controles del motor y el aumento de la recirculación de los gases de escape permitieron una relación de compresión de 19,5 con combustibles que iban desde el etanol puro hasta el E50. Se logró una eficiencia térmica aproximadamente igual a la de un diésel. [60] Esto daría como resultado que el ahorro de combustible de un vehículo que queme etanol puro sea aproximadamente el mismo que el de uno que queme gasolina.
En junio de 2016, Nissan anunció sus planes de desarrollar vehículos de pila de combustible alimentados 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 , el Toyota Mirai y el Honda FCX Clarity . La principal ventaja de este enfoque técnico es que sería más barato y más fácil desplegar la infraestructura de abastecimiento de combustible que establecer la necesaria para suministrar hidrógeno a altas presiones, ya que cada estación de abastecimiento de hidrógeno cuesta entre 1 y 2 millones de dólares estadounidenses para construirse. [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 transformar el etanol en hidrógeno para alimentar lo que se conoce como una célula de combustible de óxido sólido (SOFC). La célula de combustible genera electricidad para suministrar energía al motor eléctrico que impulsa las ruedas, a través de una batería que se encarga de las demandas de potencia máxima y almacena la energía regenerada. El vehículo incluiría un tanque para una mezcla de agua y etanol, que se alimenta a 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 en 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 juntos 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, sumados a 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.
Desde la década de 1970, Brasil ha tenido un programa de combustible de etanol que ha permitido al país convertirse en el segundo mayor productor de etanol del mundo (después de los Estados Unidos) y el mayor exportador mundial. [65] El programa de combustible de etanol de Brasil utiliza equipo moderno y caña de azúcar barata como materia prima, y los desechos residuales de la caña ( bagazo ) se utilizan para producir calor y energía. [66] Ya no hay vehículos livianos en Brasil que funcionen con gasolina pura. [67]
† experimental, no en producción comercial
†† dependiendo del método de producción
Toda biomasa pasa por al menos algunos de estos pasos: necesita ser cultivada, recolectada, secada, fermentada, destilada y quemada. Todos estos pasos requieren recursos y una infraestructura. La cantidad total de energía invertida en el proceso comparada 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 compiladas en un informe de 2007 de National Geographic [68] indican resultados modestos para el etanol de maíz producido en los EE. UU.: se requiere una unidad de energía de combustible fósil para crear 1,3 unidades de energía a partir del etanol resultante. El balance energético para el etanol de caña de azúcar producido en Brasil es más favorable, ya que se requiere una unidad de energía de combustible fósil para crear 8 unidades de energía a partir del etanol. Las estimaciones del balance energético no son fáciles de realizar, por lo que se han generado numerosos informes de este tipo que son contradictorios. Por ejemplo, una encuesta independiente informa que la producción de etanol a partir de caña de azúcar, que requiere un clima tropical para crecer productivamente, genera entre 8 y 9 unidades de energía por cada unidad gastada, en comparación con el maíz, que solo genera alrededor de 1,34 unidades de energía de combustible por cada unidad de energía gastada. [69] Un estudio de la Universidad de California en Berkeley de 2006, después de analizar seis estudios separados, concluyó que producir etanol a partir de maíz utiliza mucho menos petróleo que producir gasolina. [70]
Durante la fermentación y la combustión se emite dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero . Esto se compensa con la mayor absorción de dióxido de carbono por parte de las plantas a medida que crecen para producir biomasa. [71] Cuando se produce mediante ciertos métodos, el etanol libera menos gases de efecto invernadero que la gasolina. [72] [73]
En comparación con la gasolina sin plomo convencional , el etanol es una fuente de combustible que no genera partículas y que se quema con oxígeno para formar dióxido de carbono, monóxido de carbono, agua y aldehídos . La Ley de Aire Limpio exige la adición de oxigenantes para reducir las emisiones de monóxido de carbono en los Estados Unidos. El aditivo MTBE se está eliminando gradualmente 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 del fabricante de fertilizantes con macronutrientes como el amoníaco.
Un estudio realizado por científicos atmosféricos de la Universidad de Stanford concluyó que el combustible E85 aumentaría el riesgo de muerte por contaminación del aire en un 9% en comparación con la gasolina en Los Ángeles, EE. UU.: una metrópolis urbana muy grande basada en automóviles que es el peor escenario posible. [74] Los niveles de ozono aumentan significativamente, lo que aumenta el smog fotoquímico y agrava problemas médicos como el asma. [75] [76]
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 fue un 260% más alto. [77] [ necesita actualización ]
El cálculo de la cantidad exacta de dióxido de carbono que se produce en la fabricación de bioetanol es un proceso complejo e inexacto, y depende en gran medida del método de producción del etanol y de las hipótesis que se utilicen en el cálculo. Un cálculo debe incluir:
Tal cálculo puede o no considerar los siguientes efectos:
El gráfico de la derecha muestra las cifras calculadas por el gobierno del Reino Unido a los efectos de la obligación de combustible renovable para el transporte . [78]
El artículo de enero de 2006 de la revista Science del ERG de la Universidad de California en Berkeley estimaba que la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas del etanol de maíz era del 13%, tras revisar una gran cantidad de estudios. En una corrección de ese artículo publicada poco después de su publicación, reducían el valor estimado al 7,4%. Un artículo de revisión de National Geographic (2007) [68] sitúa las cifras en un 22% menos de emisiones de CO2 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 CO2 con bioetanol en comparación con la gasolina en uno de sus vehículos de combustible flexible. [79]
Una complicación adicional es que la producción requiere labrar tierra nueva [80] , 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. [81] Por ejemplo, convertir pastizales en tierras de cultivo para la producción de maíz para etanol requiere alrededor de un siglo de ahorro anual para compensar los GEI liberados por la labranza inicial. [80]
La agricultura a gran escala es necesaria para producir alcohol agrícola y para ello se requieren grandes cantidades de tierra cultivada. Los investigadores de la Universidad de Minnesota informan que si todo el maíz cultivado en los EE. UU. se utilizara para producir etanol, se desplazaría el 12% del consumo actual de gasolina en ese país. [82] Hay quienes afirman que la tierra para la producción de etanol se adquiere mediante la deforestación, mientras que otros han observado que las áreas que actualmente albergan bosques no suelen ser adecuadas para el cultivo. [83] [84] En cualquier caso, la agricultura puede implicar una disminución de la fertilidad del suelo debido a la reducción de la materia orgánica, [85] una disminución de la disponibilidad y calidad del agua, un aumento en el uso de pesticidas y fertilizantes y un posible desplazamiento de las comunidades locales. [86] Las nuevas tecnologías permiten a los agricultores y procesadores producir cada vez más la misma producción utilizando menos insumos. [82]
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, duplicando potencialmente los rendimientos, en un esfuerzo por minimizar el conflicto entre las necesidades de alimentos y las necesidades de combustible. En lugar de utilizar solo los subproductos de 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 de alto consumo energético sigue siendo la misma para una mayor producción de material utilizable. La tecnología para producir etanol celulósico se encuentra actualmente en la etapa de comercialización . [87] [23]
Según un análisis publicado en Science en mayo de 2009, la conversión de biomasa en electricidad para cargar vehículos eléctricos puede ser una opción de transporte más "ecológica" que el uso de biomasa para producir combustible de etanol. [88] Los investigadores siguen buscando desarrollos más rentables tanto en etanol celulósico como en baterías avanzadas para vehículos. [89]
Por cada mil millones de galones equivalentes de etanol de combustible producido y quemado en los EE.UU., los costos combinados de cambio climático y 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, rastrojo de maíz o carbón) y la tecnología, pero sólo de 123 a 208 millones de dólares para el etanol celulósico dependiendo de la materia prima (biomasa de pradera, Miscanthus, rastrojo de maíz o pasto varilla). [90]
A medida que mejoren los rendimientos de etanol o se introduzcan diferentes materias primas, la producción de etanol puede volverse más viable económicamente en los EE. UU. Actualmente, se están realizando investigaciones para mejorar los rendimientos de etanol a partir de cada unidad de maíz mediante 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 crecimiento rápido como el pasto varilla se pueden cultivar en tierras no aptas para otros cultivos comerciales y producir altos niveles de etanol por unidad de área. [68]
Una de las razones que se dan para la producción extensiva de etanol en los EE.UU. es su beneficio para la seguridad energética , al trasladar la necesidad de una parte del petróleo producido en el extranjero a fuentes de energía producidas en el país. [109] [110] La producción de etanol requiere una cantidad significativa de energía, pero la producción actual de los EE.UU. obtiene la mayor parte de esa energía del carbón, el gas natural y otras fuentes, en lugar del petróleo. [111] 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% de gas natural (cifras de 2006), [112] el desplazamiento de los combustibles basados en petróleo al etanol produce un cambio neto de fuentes de energía extranjeras a fuentes de energía nacionales en los EE.UU.
Según un análisis de 2008 de 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 habrían sido en otras circunstancias. [113]
Leon Duray se clasificó tercero para la carrera automovilística Indianápolis 500 de 1927 con un automóvil alimentado con etanol. [114] La Serie IndyCar adoptó una mezcla de etanol al 10% para la temporada 2006 y una mezcla al 98% en 2007.
El campeonato de autos deportivos American 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. [115]
En 2011, las tres series nacionales de autos stock NASCAR ordenaron el cambio de gasolina a E15, una mezcla de combustible de carreras sin plomo Sunoco GTX y 15% de etanol. [116]
El campeonato V8 Supercar de Australia utiliza Shell E85 como combustible de carreras.
El Campeonato Stock Car Brasil funciona con etanol puro, E100.
El etanol también puede utilizarse como combustible para cohetes . A partir de 2010 [actualizar], se utilizan pequeñas cantidades de etanol en aviones de carreras de cohetes ligeros . [117]
El Proyecto Gaia es una organización no gubernamental estadounidense sin fines de lucro que participa 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 a base de alcohol 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 las comunidades pobres y marginadas que enfrentan problemas de salud por cocinar sobre fuegos contaminantes, Gaia trabaja actualmente en Etiopía , Nigeria , Brasil , Haití y Madagascar , y está en la etapa de planificación de proyectos en varios otros países. [118]
La investigación sobre el etanol se centra en fuentes alternativas, nuevos catalizadores y procesos de producción. INEOS produjo etanol a partir de material vegetal y desechos de madera. [119] La bacteria E. coli, cuando se modifica genéticamente con genes y enzimas del rumen de vaca, puede producir etanol a partir de rastrojo de maíz . [120] Otras materias primas potenciales 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 . [121] [122]
