Se utilizan diversos alcoholes como combustible para los motores de combustión interna . Los primeros cuatro alcoholes alifáticos ( metanol , etanol , propanol y butanol ) son de interés como combustibles porque pueden sintetizarse química o biológicamente y tienen características que les permiten ser utilizados en motores de combustión interna. La fórmula química general del alcohol combustible es C n H 2 n+1 OH .
La mayor parte del metanol se produce a partir de gas natural, aunque se puede producir a partir de biomasa mediante procesos químicos muy similares. El etanol se produce comúnmente 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 aún conserva un octanaje un 25% más alto); sin embargo, actualmente el biobutanol es más difícil de producir que el etanol o el metanol. Cuando se obtienen a partir de materiales biológicos y/o procesos biológicos, se les conoce como bioalcoholes (por ejemplo, "bioetanol"). No existe diferencia química entre los alcoholes producidos biológicamente y los producidos químicamente.
Una ventaja que comparten los cuatro principales combustibles alcohólicos es su alto octanaje . Esto tiende a aumentar su eficiencia de combustible y compensa en gran medida la menor densidad energética de los combustibles de alcohol para vehículos (en comparación con la gasolina y los combustibles diésel), lo que resulta en una "economía de combustible" comparable en términos de métricas 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 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 fermentación. El metanol es la molécula más simple y el etanol se puede producir 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 mediante electrólisis o enzimas. [1]
Como combustible, el metanol y el etanol tienen ventajas y desventajas sobre combustibles como la gasolina y el diésel . En los motores de encendido por chispa, ambos alcoholes pueden funcionar a índices de recirculación de gases de escape mucho más altos y con relaciones de compresión más altas . Ambos alcoholes tienen un alto índice de octanaje , con etanol en 109 RON ( Número de octanaje de investigación ), 90 MON ( Número de octanaje del motor ) (que equivale a 99,5 AKI ) y metanol en 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 los surtidores de las gasolineras de EE. UU. La gasolina común europea suele costar 95 RON, 85 MON, equivalente a 90 AKI. Como combustible para motores de encendido por compresión, ambos alcoholes crean muy pocas partículas, pero su bajo índice de cetano significa que se debe mezclar con el combustible un mejorador de encendido como el glicol a aproximadamente 10ºC. 5%.
Cuando se utilizan en motores de encendido por chispa, los alcoholes tienen el potencial de reducir NOx , CO , HC y partículas. Una prueba con Chevrolet Luminas alimentado con E85 mostró que el NMHC [3] se redujo entre un 20 y un 22 %, los NOx entre un 25 y un 32 % y el CO entre un 12 y un 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 CO 2 del tubo de escape también disminuyen debido a la menor proporción de carbono a 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 sobre la corrosividad de los combustibles alcohólicos. Los iones de halogenuro aumentan la corrosión de dos maneras: atacan químicamente las películas de óxido pasivante en varios metales provocando corrosión por picaduras y aumentan la conductividad del combustible. Una mayor conductividad eléctrica promueve la corrosión eléctrica, galvánica y ordinaria en el sistema de combustible. Los contaminantes solubles como el hidróxido de aluminio, que en sí mismo es 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 del tipo pulso y retención, magnetoresistivo u otro tipo similar sin contacto. Además, el alcohol de alta calidad debe tener una baja concentración de contaminantes y se le debe agregar un inhibidor de corrosión adecuado. La evidencia científica revela que el agua es un inhibidor de la corrosión del etanol. [6]
Los experimentos se realizan con E50, que es más agresivo y acelera el efecto de corrosión. Está muy claro que aumentando 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. De acuerdo con las observaciones realizadas 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 H 2 en mezclas medias-bajas. Cuando hay suficiente agua presente en el combustible, el aluminio reaccionará preferiblemente con agua para producir Al 2 O 3 , reparando la capa protectora de óxido de aluminio. El alcóxido de aluminio no forma una capa de óxido densa; 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 provocando hinchazón y, con el tiempo, el oxígeno rompe los enlaces carbono-carbono en el polímero, provocando una reducción de la resistencia a la tracción. Sin embargo, durante las últimas décadas, la mayoría de los automóviles han sido diseñados para tolerar hasta un 10% de etanol (E10) sin problemas. Esto incluye tanto la compatibilidad del sistema de combustible como la compensación lambda [ se necesita aclaración ] del suministro de combustible con motores de inyección de combustible con control lambda de circuito cerrado. En algunos motores, el etanol puede degradar algunas composiciones de plástico o caucho de los componentes de suministro de combustible diseñados para la gasolina convencional, y además no ser capaz de compensar lambda el combustible adecuadamente. [ cita necesaria ]
Los vehículos "FlexFuel" tienen un sistema de combustible y componentes de 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 actualizaciones 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 entrada. Los autos "Total Flex" destinados al mercado brasileño pueden utilizar E100 (100% etanol). [ cita necesaria ]
Un litro de etanol libera en su combustión 21,1 MJ, 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/galón de etanol y 2,1 litros/galón 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 alcohol como combustible se puede convertir en trabajo útil. Esta diferencia de eficiencia puede compensar parcial o totalmente la diferencia de densidad de energía, [ cita necesaria ] dependiendo de los motores particulares que se comparen.
El combustible de metanol se ha propuesto como biocombustible del futuro, 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 utilizaban mezclas y metanol puro. El combustible se utilizó principalmente en América del Norte después de la guerra. [ se necesita aclaración ] Sin embargo, el metanol para 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 biomasa .
En teoría, el metanol también se puede producir a partir de biomasa de origen sostenible y, en última instancia, dióxido de carbono, y mediante electrólisis de hidrógeno utilizando energía nuclear, energía geotérmica o alguna otra fuente de energía renovable (ver 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 de lignocelulosa (leñosa) sin fertilizar.
El etanol ya se está utilizando ampliamente como aditivo para combustibles , y está aumentando el uso de etanol como combustible solo o como parte de una mezcla con gasolina. Comparado con el metanol, su principal ventaja es que es menos corrosivo y no tóxico, aunque el combustible producirá algunas emisiones de escape tóxicas. Desde 2007, la Indy Racing League utiliza etanol como combustible exclusivo, después de 40 años de utilizar metanol. [7] Desde septiembre de 2007, las gasolineras 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 alto punto de inflamación de 35 °C, lo que supone una ventaja para la seguridad contra incendios, pero puede suponer una dificultad para arrancar motores en climas fríos. Sin embargo, el concepto de punto de inflamación no se aplica directamente a los motores, ya que la compresión del aire en el cilindro hace que la temperatura sea 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 ) utilizado 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 está fermentando aumenta al 2%. [9] A modo de comparación, la levadura muere cuando el contenido de etanol de su materia prima alcanza el 14%. Las cepas especializadas pueden tolerar concentraciones de etanol aún mayores: la llamada levadura turbo puede soportar hasta un 16% de etanol. [10] Sin embargo, si la levadura Saccharomyces ordinaria puede modificarse para mejorar su resistencia al etanol, los científicos aún podrán producir algún día 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 la fibra residual sobrante de los cultivos de azúcar utilizados para producir etanol podría convertirse en butanol, aumentando el rendimiento de alcohol de los cultivos combustibles sin necesidad de sembrar más cultivos.
A pesar de estos inconvenientes, DuPont y BP han anunciado recientemente que construirán conjuntamente una planta de demostración de combustible 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 y producir butanol en lugar de etanol. Las levaduras como organismos productores de butanol tienen ventajas decisivas frente a 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 3 carbonos, propanol (C 3 H 7 OH), no se utiliza a menudo como fuente directa de combustible para motores de gasolina (a diferencia del etanol, metanol y 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 elegido para la mayoría de las pilas de combustible a base de alcohol. Sin embargo, dado que el propanol es más difícil de producir que el metanol (biológicamente o a partir de petróleo), se prefieren las pilas de combustible que utilizan metanol a las que utilizan propanol.
Brasil era hasta hace poco el mayor productor de alcohol combustible del mundo, normalmente 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 autos con alcohol debutaron en el mercado brasileño en 1979 y se hicieron bastante populares debido a una un fuerte subsidio, pero en la década de 1980 los precios subieron y la gasolina recuperó la principal cuota de mercado. [dieciséis]
Sin embargo, a partir de 2003, el alcohol ha vuelto a aumentar rápidamente su cuota de mercado debido a las nuevas tecnologías que utilizan motores de combustible flexible , [17] llamados "Flex" o "Total Flex" por los principales 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 al liderazgo brasileño en producción y tecnología, muchos países se interesaron mucho en importar alcohol 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 impulsados por combustible de alcohol. [20] China ha informado de un uso del 70% de metanol respecto de la gasolina convencional y una independencia del petróleo crudo .
El Comité Nacional de Planificación y Coordinación de Acción para un Automóvil Limpio había incluido en su agenda principal tecnologías clave relacionadas con el combustible de alcohol/éter y la industrialización acelerada. Los combustibles alcohólicos habían pasado a formar parte de cinco combustibles alternativos principales: dos de los cuales eran alcoholes; metanol y etanol [21]
A finales de 2007, Estados Unidos producía 26,9 mil millones de litros (7 mil millones de galones) por año. [22] El E10 o Gasohol se comercializa comúnmente en Delaware y el E85 se encuentra en muchos estados, particularmente en el Medio Oeste, donde se produce localmente etanol a partir de maíz.
Muchos estados y municipios han ordenado que toda la gasolina se mezcle con un 10 por ciento de alcohol (generalmente etanol) durante parte o todo el año. Esto es para reducir la contaminación y permite que estas áreas cumplan con los límites federales de contaminación. Debido a que el alcohol está parcialmente oxigenado, produce menos contaminación general, incluido el ozono . En algunas áreas (California en particular) las regulaciones también pueden requerir otras formulaciones o químicos agregados que reducen la contaminación, pero agregan complejidad a la distribución del combustible y aumentan el costo del combustible.
El primer combustible de alcohol en Japón comenzó con GAIAX en 1999. GAIAX fue desarrollado en Corea del Sur e importado por Japón. El ingrediente principal era el metanol.
Debido a que GAIAX no era gasolina, era un objeto libre de impuestos del impuesto a la gasolina de Japón. Sin embargo, como resultado, el gobierno y la industria petrolera consideraron el uso de GAIAX como un acto de contrabando en Japón. La venta al por menor de GAIAX se realizó para evitar las críticas por evasión fiscal al pagar de forma independiente el impuesto al combustible diésel en las regulaciones del sistema legal.
Los incendios accidentales de vehículos en los lugares donde se repostaba GAIAX comenzaron a denunciarse alrededor del año 2000, cuando el debate sobre la evasión fiscal casi había terminado. La industria automovilística japonesa criticó a GAIAX, afirmando que "los incendios se produjeron porque el alcohol de alta densidad había corroído las tuberías de combustible". GAIAX fue denominado "combustible de alcohol de alta densidad" y se ejecutó una campaña para excluirlo del mercado a largo plazo. Finalmente, el Ministerio de Economía, Comercio e Industria también se sumó a esta campaña. [26]
El método de calidad de la gasolina se revisó con el pretexto de preocupaciones de seguridad en 2003. Esto prohibió la fabricación y venta de "combustible de alcohol de alta densidad" y añadió una prohibición sustancial de ventas de GAIAX. Mediante 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 alcohol carburante superior a E3 en Japón.
La industria petrolera japonesa continúa investigando y desarrollando un combustible de alcohol original que difiere del GAIAX. Sin embargo, la fabricación y venta comercial de cualquier combustible nuevo puede estar prohibida por las leyes existentes que actualmente excluyen a GAIAX del mercado. Además, la fuerte aversión del consumidor japonés a cualquier tipo de combustible con alcohol de alta densidad puede impedir el éxito comercial de cualquier combustible nuevo.
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