Los electrocombustibles , también conocidos como e-combustibles , son una clase de combustibles sintéticos que funcionan como combustibles de reemplazo directo para motores de combustión interna. Se fabrican utilizando dióxido de carbono capturado o monóxido de carbono, junto con hidrógeno obtenido a partir de la división del agua . [1] La electrólisis es posible tanto con fuentes de energía de combustibles fósiles tradicionales como con fuentes de electricidad con bajas emisiones de carbono, como la energía eólica, solar y nuclear. [2] : 7 [3]
El proceso utiliza dióxido de carbono en la fabricación y libera aproximadamente la misma cantidad de dióxido de carbono al aire cuando se quema el combustible, lo que genera una huella de carbono baja en general. Por lo tanto, los electrocombustibles son una opción para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del transporte, en particular para el transporte de carga de larga distancia, marítimo y aéreo. [2] : 9–13
Los objetivos principales son el metanol y el diésel , pero también incluyen otros alcoholes y gases que contienen carbono, como el metano y el butano .
Los electrocombustibles son hidrocarburos que se sintetizan artificialmente a partir de hidrógeno y dióxido de carbono. El dióxido de carbono se puede extraer de tres fuentes diferentes: del aire ambiente (captura directa del aire), de fuentes puntuales como las centrales eléctricas (captura de carbono y servicios públicos) o de la biomasa. Para maximizar la producción respetuosa con el clima, se prefiere la captura atmosférica por biomasa o la captura directa del aire por captura directa del aire . [4] Cuando se utiliza biomasa, existen diferentes formas de obtener el CO2 necesario . Esto se puede lograr mediante la producción de biogás o bioetanol en el bioma. En todos estos procesos, el CO2 se produce como subproducto y luego debe separarse y purificarse. En el proceso de captura directa del aire, el aire ambiente se aspira y se transfiere a un sorbente, en el que el dióxido de carbono forma un enlace químico con un absorbente o adsorbente, separándolo del aire. Posteriormente, durante la regeneración del sorbente, o desorción, el dióxido de carbono se separa mediante la adición de energía térmica y se prepara para su uso posterior o almacenamiento. [4]
El hidrógeno se puede producir de diferentes maneras. Para que los combustibles eléctricos sean neutros en CO2 , es esencial producir hidrógeno verde . [4] Con la ayuda de la electricidad renovable, el agua se puede separar en sus componentes, hidrógeno y oxígeno, como parte de la electrólisis del agua.
Para producir combustibles electrónicos se utiliza un gas de síntesis compuesto de hidrógeno y dióxido de carbono, que luego se convierte en hidrocarburos en un proceso de síntesis posterior, que luego se puede utilizar como combustible. En el pasado, estos procesos de síntesis se han llevado a cabo con otras fuentes de carbono e hidrógeno, por lo que existen varios tipos de procesos diferentes que se podrían utilizar, por ejemplo: [5]
• Proceso móvil ( Metanol a gasolina )
Por tanto, los e-fuels no son fuentes de energía primarias, sino secundarias. Permiten utilizar la energía eléctrica para producir combustibles con una alta densidad energética, propiedades de almacenamiento, transporte y combustión que, debido a sus propiedades y versatilidad, teóricamente pueden reemplazarlos en todas las aplicaciones posibles. Los combustibles son químicamente idénticos a los combustibles fósiles y tienen propiedades idénticas. Esta similitud con los combustibles fósiles hace posible su uso no solo en el parque móvil existente, sino también en la infraestructura existente en forma de transporte marítimo, oleoductos, buques cisterna y redes de estaciones de servicio. [4] Al mismo tiempo, se evitan las dificultades de manipulación del hidrógeno.
Los electrocombustibles se consideran en gran medida un complemento y un posible reemplazo de los combustibles utilizados en el transporte, como el combustible para aviones , el combustible diésel y el fueloil . [2]
Según el estudio “Los costes futuros de los combustibles sintéticos basados en electricidad” publicado en 2018 por Agora Verkehrswende, los combustibles sintéticos como los e-fuels necesitan dos requisitos previos para poder ofrecer un precio competitivo. En primer lugar, son esenciales muchas horas de carga completa, ya que los complejos de plantas para producir e-fuels requieren costos de inversión significativamente altos y, en consecuencia, tienen altos costos fijos. Cada hora de funcionamiento adicional reduce los costos. Según el estudio, se requieren al menos 3.000-4.000 horas de carga completa por año. [6]
El segundo aspecto importante es el bajo coste de la electricidad. La síntesis de combustibles electrónicos requiere grandes cantidades de electricidad y se caracteriza por pérdidas de conversión. Para mantener el precio lo más bajo posible, es esencial disponer de electricidad renovable barata.
Por este motivo, los autores recomiendan producir en regiones soleadas y ventosas en lugar de utilizar electricidad renovable procedente de turbinas eólicas marinas de regiones como el Mar del Norte o el Mar Báltico. Tres de las regiones examinadas ofrecían condiciones excelentes y tenían el potencial de reducir significativamente el precio. Por ejemplo, mediante el uso de sistemas fotovoltaicos en el norte de África y Oriente Medio, los costes de producción de combustibles líquidos sintéticos podrían alcanzar hasta 11 céntimos de euro por kilovatio-hora (ct€/kWh), lo que equivale a 0,96 euros por litro o 3,63 euros por galón en 2030 (3,94 dólares estadounidenses por galón según cálculos del 26 de mayo de 2024 sin impuestos). Otro lugar destacable, según los autores, sería Islandia, que utilizaría la energía geotérmica existente. [6]
En el informe de 2018 de Prognos AG, el Instituto Fraunhofer de Tecnología Ambiental, de Seguridad y Energética y el Centro Alemán de Investigación de Biomasa (DBF) se informaron hallazgos similares. Según sus datos, para 2050, con producción en la región MENA y utilizando el proceso Fischer-Tropsch, dependiendo de varios parámetros como las tasas de interés, la eficiencia de la electrólisis, los costos directos de captura de aire, los costos de electricidad, así como los costos de inversión y producción, entre otros, los costos de fabricación podrían variar de al menos 0,70 €/L a 1,30 €/L (2,88 US$ por galón y 5,34 US$ por galón según cálculos del 26 de mayo de 2024), sin incluir los impuestos. [5]
Una fuente primaria de financiación para la investigación sobre electrocombustibles líquidos para el transporte fue el Programa de Electrocombustibles de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía ( ARPA-E ), dirigido por Eric Toone. [7] ARPA-E, creada en 2009 bajo el Secretario de Energía del Presidente Obama, Steven Chu , es el intento del Departamento de Energía de duplicar la eficacia de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, DARPA . Ejemplos de proyectos financiados bajo este programa incluyen el esfuerzo de biodiésel de OPX Biotechnologies dirigido por Michael Lynch [8] y el trabajo de Derek Lovley sobre electrosíntesis microbiana en la Universidad de Massachusetts Amherst , [9] que supuestamente produjo el primer electrocombustible líquido utilizando CO2 como materia prima . [10] [11]
La primera Conferencia sobre electrocombustibles, patrocinada por el Instituto Americano de Ingenieros Químicos, se celebró en Providence, Rhode Island, en noviembre de 2011. [12] En esa conferencia, el director Eric Toone afirmó que "a dieciocho meses de iniciado el programa, sabemos que funciona. Necesitamos saber si podemos hacer que sea importante". Varios grupos están más allá de la prueba de principio y están trabajando para ampliarlo de manera rentable. Actualmente, se considera que Porsche es el líder en estos proyectos, con un costo estimado por galón de efuel de cuarenta y cinco dólares por galón. [13]
Los electrocombustibles tienen el potencial de ser disruptivos si los electrocombustibles neutros en carbono son más baratos que los combustibles derivados del petróleo , y si las materias primas químicas producidas por electrosíntesis son más baratas que las refinadas a partir del petróleo crudo . Los electrocombustibles también tienen un potencial significativo para alterar el panorama de la energía renovable, ya que permiten que las energías renovables de todas las fuentes se almacenen convenientemente como combustible líquido y se reduzcan las restricciones . [3]
A partir de 2014 [actualizar], impulsado por el auge del fracking , el enfoque de ARPA-E se ha desplazado desde las materias primas eléctricas a las materias primas basadas en gas natural, y por tanto se ha alejado de los electrocombustibles. [14]
En 2021, Audi anunció que estaba trabajando en proyectos de e-diésel y e-gasolina . [15] La empresa británica Zero , fundada en 2020 por el exingeniero de Fórmula 1 Paddy Lowe , ha desarrollado un proceso que denomina "petrosíntesis" para crear combustible sostenible y ha establecido una planta de desarrollo en el centro empresarial Bicester Heritage, cerca de Oxford . [16]
Stellantis (marcas importantes: Alfa Romeo , Peugeot , Opel , Citroën y Chrysler ) anunció en septiembre de 2023 que aprobaría el uso de Electofuels en 28 millones de vehículos en Europa. Esta información llegó después de un largo proceso de prueba en colaboración con Saudi Aramco. Se probaron 24 familias de motores instaladas en Europa desde 2014 en cuanto a emisiones de escape, capacidad de arranque, rendimiento del motor, confiabilidad, durabilidad, dilución de aceite, tanque de combustible, líneas de combustible y filtros, así como rendimiento del combustible en frío extremo y altas temperaturas. Stellantis espera ahorrar hasta 400 millones de toneladas de CO2 para 2050. [17]
En 2023, un estudio publicado por el Centro de Excelencia de Seguridad Energética de la OTAN concluyó que los combustibles electrónicos ofrecen una de las vías de descarbonización más prometedoras para la movilidad militar en los dominios terrestres, marítimos y aéreos. [18]
Existen regiones en el mundo con un potencial de energía renovable significativamente mayor que otras. Según fuentes como la eFuel Alliance, un grupo de defensa de los combustibles , la evaluación no solo debería considerar la eficiencia del vehículo, sino también qué parte de la energía generada por el sistema energético se puede convertir en energía cinética. Sin embargo, este alto potencial de energía renovable a menudo existe en regiones donde la demanda no es tan pronunciada. Al convertir esta energía eléctrica en portadores de energía líquidos, se puede transportar de manera más viable, ya que el transporte de líquidos es más fácil que el de electricidad.
En estas circunstancias, según algunos estudios, la eficiencia de los vehículos con motor de combustión interna puede aumentar significativamente si se considera la generación de electricidad de una instalación energética en una región de alto potencial y se comparan las horas de carga completa de las instalaciones energéticas tanto de los vehículos con motor de combustión interna como de los vehículos eléctricos de batería. La baja eficiencia de los motores de combustión interna se puede compensar con una mayor generación de electricidad, según el Instituto Tecnológico de Karlsruhe. Algunas ubicaciones favorables pueden tener hasta tres veces más horas de carga completa y, por lo tanto, generar hasta tres veces más electricidad que la misma instalación con la misma capacidad en otras ubicaciones.
En su estudio de 2020, Frontier Economics concluyó que, si se utilizan ubicaciones favorables con un potencial muy alto para la energía renovable, los vehículos con motor de combustión interna pueden lograr una eficiencia similar a la de los vehículos eléctricos a batería. Esta eficiencia similar se garantiza mediante una mayor producción de electricidad en ubicaciones favorables, que se aprovecha mediante aplicaciones de conversión de energía en combustible. Según los resultados de este estudio, la relación de eficiencia no es de 5-7, sino más bien de un manejable 1,6 (por ejemplo, la cifra de "eficiencia total de la movilidad"). [19]
La eFuel Alliance afirma que "la perspectiva de la falta de eficiencia de los electrocombustibles es engañosa, ya que lo crítico para la transición energética global no es el grado de eficiencia del uso final de la electricidad, sino más bien la eficiencia con la que se puede producir electricidad a partir de energías renovables y luego hacerla utilizable". [20]
Algunos procesos actuales que afirman producir electrocombustibles funcionan con electricidad generada por combustibles fósiles no renovables ; los académicos han reconocido la necesidad de estos métodos en las primeras etapas de la producción de electrocombustibles a pesar de su naturaleza contraria a la intuición. [21]
Para 2021, la Federación Europea de Transporte y Medio Ambiente , un grupo de defensa , recomendó que el sector de la aviación necesita que se implemente el e-queroseno, ya que podría reducir sustancialmente su impacto climático, [22] y lo mismo para el transporte marítimo. [23] También afirmó que el uso de electrocombustible en automóviles emite dos gases de efecto invernadero importantes además del CO 2 capturado para la producción: metano (CH 4 ) y óxido nitroso (N 2 O); la contaminación del aire local seguía siendo una preocupación y era cinco veces menos eficiente que la electrificación directa. [24]
Europa define una clase de electrocombustibles denominada "Combustibles líquidos y gaseosos renovables para el transporte de origen no biológico" (RFNBO), que son químicamente iguales a los e-combustibles en general, pero con requisitos más estrictos. La energía debe ser generada por nuevas plantas de energía renovable no subvencionadas ubicadas en la misma zona de licitación que la instalación de e-combustibles, la producción de energía y la producción de e-combustibles deben ocurrir simultáneamente y las fuentes de carbono deben ser de ciertos tipos. [3] [25]
En septiembre de 2022, la empresa finlandesa Q Power vendió a P2X Solutions una unidad de producción de metano sintético que se entregará en 2024 en Harjavalta , Finlandia, junto a su planta de producción de hidrógeno verde de 20 MW. [26] Ren-Gas tiene varios proyectos de producción de metano sintético en Tampere , Lahti , Kotka , Mikkeli y Pori en Finlandia. [27]
A finales de 2020, Porsche anunció su inversión en electrocombustibles, incluido el proyecto Haru Oni en Chile, que crea metanol sintético a partir de energía eólica. [28] En diciembre de 2022, Porsche y la empresa chilena Highly Innovative Fuels inauguraron la planta piloto Haru Oni en Punta Arenas , Chile, basada en energía eólica y que produce ~130 m3 de eFuel por año en la fase piloto, escalando a 55.000 m3 por año a mediados de la década de 2020, y 550.000 m3 después de otros dos años, para ser exportados a través de su puerto. [29] A partir de 2023, esta instalación puede producir con éxito 34.340 galones al año y las aplicaciones comerciales llegarán más adelante. [30]
El gas natural barato liberado del esquisto mediante la perforación horizontal y la fracturación hidráulica (o fracking) ha ayudado a acabar con programas de vanguardia como Electrofuels, un intento de utilizar microbios para convertir electricidad barata en combustibles líquidos, y ha dado paso a programas como REMOTE, un intento de utilizar microbios para convertir gas natural barato en combustibles líquidos.