Combustible de etanol - Ethanol fuel

El Saab 9-3 SportCombi BioPower fue el segundo modelo de combustible flexible E85 introducido por Saab en el mercado sueco.

El combustible de etanol es alcohol etílico , el mismo tipo de alcohol que se encuentra en las bebidas alcohólicas , que se utiliza como combustible . Se utiliza con mayor frecuencia como combustible de motor , principalmente como aditivo de biocombustible para gasolina . El primer automóvil de producción que funcionaba íntegramente con etanol fue el Fiat 147 , introducido en 1978 en Brasil por Fiat . El etanol se elabora comúnmente a partir de biomasa como el maíz o la caña de azúcar . La producción mundial de etanol para combustible de transporte se triplicó entre 2000 y 2007 de 17 × 10 9 litros (4,5 × 10 9 Gal EE.UU. 3,7 × 10 9  imp gal) a más de 52 × 10 9 litros (1,4 × 10 10  gal EE.UU.; 1,1 × 10 10  imp gal). De 2007 a 2008, la proporción de etanol en el uso mundial de combustible de tipo gasolina aumentó del 3,7% al 5,4%. En 2011, la producción mundial de combustible de etanol alcanzó 8,46 × 10 10 litros (2,23 × 10 10  gal EE.UU.; 1,86 × 10 10  imp gal), siendo los Estados Unidos de América y Brasil los principales productores, que representan el 62,2% y el 25% de la producción mundial. , respectivamente. La producción de etanol de EE. UU. Alcanzó 57,54 × 10 9 litros (1,520 × 10 10  galones estadounidenses; 1,266 × 10 10  imp gal) en 2017-04.

El combustible de etanol tiene un valor de " equivalencia de galones de gasolina " (GGE) de 1,5, es decir, para reemplazar la energía de 1 volumen de gasolina, se necesita 1,5 veces el volumen de etanol.

El combustible mezclado con etanol se usa ampliamente en Brasil , Estados Unidos y Europa (ver también Combustible de etanol por país ). La mayoría de los automóviles que circulan actualmente en los EE. UU. Pueden funcionar con mezclas de hasta un 10% de etanol , y el etanol representó el 10% del suministro de combustible de gasolina de EE. UU. Derivado de fuentes nacionales en 2011. Algunos vehículos de combustible flexible pueden usar hasta 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). En diciembre de 2011, Brasil tenía una flota de 14,8 millones de automóviles y camiones ligeros de combustible flexible y 1,5 millones de motocicletas de combustible flexible 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 . Se puede elaborar a partir de cultivos muy comunes como cáñamo , caña de azúcar , papa , mandioca y maíz . Ha habido un debate considerable sobre la utilidad del bioetanol para reemplazar la gasolina. Las preocupaciones sobre su producción y uso se relacionan con el aumento de los precios de los alimentos debido a la gran cantidad de tierra cultivable requerida para los cultivos, así como al balance energético y de contaminación de todo el ciclo de producción de etanol, especialmente de maíz.

Química

Estructura de la molécula de etanol. Todos los enlaces son enlaces simples

Durante la fermentación del etanol , la glucosa y otros azúcares del maíz (o la caña de azúcar u otros cultivos) se convierten en etanol y dióxido de carbono .

C 6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + calor

La fermentación del etanol no es 100% selectiva con productos secundarios como el ácido acético y los glicoles. En su mayoría se eliminan durante la purificación de etanol. La fermentación se realiza en 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:

C 2 H 5 OH + 3 O 2 → 2 CO 2 + 3 H 2 O + calor

Las moléculas de almidón y celulosa son cadenas de moléculas de glucosa. También es posible generar etanol a partir de materiales celulósicos. Eso, sin embargo, 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 de etileno mediante la hidratación del doble enlace en presencia de un catalizador y a alta temperatura.

C 2 H 4 + H 2 O → C 2 H 5 OH

La mayor parte del etanol se produce por fermentación.

Fuentes

Cosecha de caña de azúcar
Maizal en Sudáfrica
Switchgrass

Aproximadamente el 5% del etanol producido en el mundo en 2003 era en realidad un producto del petróleo. Se obtiene mediante la hidratación catalítica de etileno con ácido sulfúrico como catalizador . También se puede obtener mediante etileno o acetileno , a partir de carburo de calcio , carbón , gas de petróleo y otras fuentes. Anualmente se producen dos millones de toneladas cortas (1.786.000 toneladas largas; 1.814.000 t) de etanol derivado del petróleo. Los principales proveedores son plantas de Estados Unidos, Europa y Sudáfrica. El etanol derivado del petróleo (etanol sintético) es químicamente idéntico al bioetanol y solo se puede diferenciar mediante la datación por radiocarbono.

El bioetanol se obtiene generalmente de la conversión de materia prima a base de carbono . Las materias primas agrícolas se consideran renovables porque obtienen energía del sol mediante la fotosíntesis, siempre que todos los minerales necesarios para el crecimiento (como el nitrógeno y el fósforo) se devuelvan a la tierra. El etanol se puede producir a partir de una variedad de materias primas como caña de azúcar , bagazo , miscanto , remolacha azucarera , sorgo , cereales, hierba varilla , cebada , cáñamo , kenaf , patatas , batatas , mandioca , girasol , fruta , melaza , maíz , rastrojo , grano , trigo , paja , algodón , otra biomasa , así como muchos tipos de desechos de celulosa y recolección, lo que tenga la mejor evaluación de pozo a rueda .

La empresa Algenol está desarrollando un proceso alternativo para producir bioetanol a partir de algas . En lugar de cultivar algas y luego cosecharlas y fermentarlas, las algas crecen a la luz del sol y producen etanol directamente, que se elimina sin matar las algas. Se afirma que el proceso puede producir 6,000 galones estadounidenses por acre (5,000 galones imperiales por acre; 56,000 litros por hectárea) por año en comparación con 400 galones estadounidenses por acre (330 imp gal / acre; 3,700 L / ha) para la producción de maíz.

Actualmente, 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 se transforma el almidón, que representa alrededor del 50% de la masa de granos secos. en etanol. Se están desarrollando dos tipos de procesos de segunda generación. El primer tipo usa enzimas y fermentación de levadura para convertir la celulosa de la planta en etanol, mientras que el segundo tipo usa pirólisis para convertir toda la planta en un bioaceite líquido o en gas de síntesis . Los procesos de segunda generación también se pueden utilizar con plantas como pastos, madera o material de desecho agrícola como la paja.

Producción

Aunque hay varias formas de producir combustible de etanol , la forma más común es a través de 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 sacarificación o hidrólisis de carbohidratos como celulosa y almidón en azúcares. La sacarificación de la celulosa se llama celulólisis (ver etanol celulósico ). Las enzimas se utilizan para convertir el almidón en azúcar.

Fermentación

El etanol se produce por fermentación microbiana del azúcar. La fermentación microbiana actualmente solo funciona directamente con azúcares . Dos componentes principales de las plantas, el almidón y la celulosa, están hechos de azúcares y, en principio, pueden convertirse en azúcares para la fermentación. Actualmente, solo las porciones de azúcar (por ejemplo, caña de azúcar) y almidón (por ejemplo, maíz) pueden convertirse económicamente.

Existe interés en el etanol celulósico obtenido al descomponer la celulosa vegetal en azúcares y convertir los azúcares en etanol. Sin embargo, el etanol celulósico es actualmente antieconómico y no se practica comercialmente. Según un informe de la Agencia Internacional de Energía de 2006 , el etanol celulósico podría ser importante en el futuro.

Destilación

Planta de etanol en West Burlington, Iowa
Planta de etanol en Sertãozinho, Brasil.

Para que el etanol se pueda utilizar como combustible, se deben eliminar los sólidos de la levadura y la mayor parte del agua. Después de la fermentación, el puré se calienta para que se evapore el etanol. Este proceso, conocido como destilación , separa el etanol, pero su pureza se limita al 95-96% debido a la formación de un azeótropo de agua-etanol de bajo punto de ebullición con un máximo (95,6% m / m (96,5% v / v) de etanol y 4,4% m / m (3,5% v / v) de agua). Esta mezcla se llama etanol hidratado y se puede usar solo como combustible, pero a diferencia del etanol anhidro , el etanol hidratado no es miscible en todas las proporciones con gasolina, por lo que la fracción de agua generalmente se elimina en un tratamiento posterior para quemar en combinación con gasolina en motores de gasolina. .

Deshidración

Hay tres procesos de deshidratación para eliminar el agua de una mezcla azeotrópica de etanol / agua. El primer proceso, utilizado en muchas de las primeras plantas de etanol combustible, se llama destilación azeotrópica y consiste en añadir benceno o ciclohexano a la mezcla. Cuando estos componentes se agregan a la mezcla, se forma una mezcla azeotrópica heterogénea en equilibrio vapor-líquido-líquido , que cuando se destila produce etanol anhidro en el fondo de la columna y una mezcla de vapor de agua, etanol y ciclohexano / benceno.

Cuando se condensa, se convierte en una mezcla líquida de dos fases. La fase más pesada, pobre en el arrastre (benceno o ciclohexano), se extrae del arrastre y se recicla a la alimentación, mientras que la fase más ligera, con el condensado del arrastre, 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 una atención cada vez mayor que se presta al ahorro de energía, se han propuesto muchos métodos que evitan la destilación por deshidratación. De estos métodos, ha surgido un tercer método y ha sido adoptado por la mayoría de las plantas modernas de etanol. Este nuevo proceso utiliza tamices moleculares para eliminar el agua del combustible etanol. En este proceso, el vapor de etanol a presión pasa a través de un lecho de perlas de tamiz molecular. Los poros de la perla están dimensionados para permitir la adsorción de agua y excluir el etanol. Después de un período de tiempo, el lecho se regenera al vacío o en el flujo de 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 el otro se regenera. Esta tecnología de deshidratación puede representar un ahorro de energía de 3,000 btus / galón (840 k J / L) en comparación con la destilación azeotrópica anterior.

Investigaciones recientes han demostrado que la deshidratación completa antes de mezclar con gasolina no siempre es necesaria. En cambio, la mezcla azeotrópica se puede mezclar directamente con gasolina de modo que el equilibrio de la fase líquido-líquido pueda ayudar a la eliminación de agua. Una configuración a contracorriente de dos etapas de los tanques mezcladores-decantadores puede lograr la recuperación completa de etanol en la fase de combustible, con un consumo mínimo de energía.

Problemas de agua de posproducción

El etanol es higroscópico , lo que significa que absorbe el vapor de agua directamente de la atmósfera. Debido a que el agua absorbida diluye el valor de combustible del etanol y puede causar la separación de fases de las mezclas de etanol y gasolina (lo que ocasiona la parada del motor), los contenedores de combustibles de etanol deben mantenerse herméticamente cerrados. Esta alta miscibilidad con el agua significa que el etanol no se puede transportar de manera eficiente a través de tuberías modernas , como los hidrocarburos líquidos, a largas distancias.

La fracción de agua que puede contener un combustible de etanol-gasolina sin separación de fases aumenta con el porcentaje de etanol. Por ejemplo, E30 puede tener hasta aproximadamente un 2% de agua. Si hay más de aproximadamente 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 el aumento del contenido de agua. La mayor solubilidad del agua con mayor contenido de etanol permite colocar E30 y etanol hidratado 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 E10 es aproximadamente 0,5% v / va 21 ° C y disminuye a aproximadamente 0,23% v / va -34 ° C.

Sistemas de producción de consumo

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 se han quedado rezagados en el mercado. En 2008, dos empresas diferentes anunciaron sistemas de producción de etanol a escala doméstica. El sistema de combustible avanzado AFS125 de Allard Research and Development es capaz de producir tanto etanol como biodiésel en una sola máquina, mientras que el E-100 MicroFueler de E-Fuel Corporation se dedica únicamente al etanol.

Motores

Economía de combustible

El etanol contiene aprox. 34% menos energía por unidad de volumen que la gasolina y, por lo tanto, en teoría, quemar etanol puro en un vehículo reduce el rango 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 octanaje más alto , el motor puede hacerse más eficiente aumentando su relación de compresión.

Para el E10 (10% de etanol y 90% de gasolina), el efecto es pequeño (~ 3%) en comparación con la gasolina convencional, e incluso menor (1–2%) en comparación con las mezclas oxigenadas y reformuladas. Para E85 (etanol al 85%), el efecto se vuelve significativo. El E85 produce un kilometraje menor que la gasolina y requiere un reabastecimiento de combustible más frecuente. El rendimiento real puede variar según el vehículo. Según las pruebas de la EPA para todos los modelos E85 2006, la economía de combustible promedio para los vehículos E85 fue un 25,56% más baja que la gasolina sin plomo. El millaje clasificado por la EPA de los vehículos estadounidenses de combustible flexible actuales debe tenerse en cuenta al hacer comparaciones de precios, pero el E85 es un combustible de alto rendimiento, con un octanaje de 94 a 96, y debe compararse con el premium. El etanol no es adecuado para la mayoría de los aviones, según el RACQ , así como para algunas motocicletas y motores pequeños, aunque el Embraer EMB 202 Ipanema es un ejemplo de un avión que ha sido diseñado específicamente para su uso con combustible de etanol en algunas variantes.

Arranque en frío durante el invierno

El combustible flexible brasileño Honda Civic 2008 tiene acceso externo directo al tanque de gasolina del depósito secundario en el lado delantero derecho, la puerta de llenado de combustible correspondiente se muestra con la flecha.

Las mezclas con alto contenido de etanol presentan un problema para lograr suficiente presión de vapor para que el combustible se evapore y provoque la ignición durante el clima frío (ya que el etanol tiende a aumentar la entalpía de vaporización del combustible ). Cuando la presión de vapor es inferior a 45 kPa , es difícil arrancar un motor frío. Para evitar este problema a temperaturas por debajo de los 11  ° C (52  ° F ) y 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 ser utilizada en sus vehículos de combustible flexible, y están optimizados para funcionar con esa combinación. 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. En lugares donde las temperaturas caen por debajo de -12  ° C (10  ° F ) durante el invierno, se recomienda instalar un sistema de calefacción del motor, tanto para vehículos de gasolina como E85. Suecia tiene una reducción estacional similar, pero el contenido de etanol en la mezcla se reduce a E75 durante los meses de invierno.

Los vehículos brasileños de combustible flexible pueden operar 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 flexibles brasileños se construyen con un pequeño depósito de gasolina secundario ubicado cerca del motor. Durante un arranque en frío se inyecta gasolina pura para evitar problemas de arranque a bajas temperaturas. Esta disposición es particularmente necesaria para los usuarios de las regiones del sur y centro de Brasil, donde las temperaturas normalmente caen por debajo de los 15  ° C (59  ° F ) durante el invierno. En 2009 se lanzó una generación mejorada de motores flexibles que elimina la necesidad del tanque de almacenamiento de gas secundario. En marzo de 2009 Volkswagen do Brasil lanzó el Polo E-Flex , el primer modelo brasileño de combustible flexible sin tanque auxiliar para arranque en frío.

Mezclas de combustible

Tabla de precios de etanol hidratado × gasolina tipo C para uso en Brasil
Se requiere que la etiqueta E15 de la EPA se muestre en todos los surtidores de combustible E15 en los EE. UU.

En muchos países, los automóviles tienen la obligación de funcionar con mezclas de etanol. Todos los vehículos ligeros brasileños están construidos para operar con una mezcla de etanol de hasta el 25% ( E25 ), y desde 1993 una ley federal requiere mezclas entre 22% y 25% de etanol, con un 25% requerido a partir de mediados de julio de 2011. En En los Estados Unidos, todos los vehículos ligeros están fabricados para funcionar normalmente con una mezcla de etanol al 10% ( E10 ). A fines de 2010, más del 90 por ciento de toda la gasolina vendida en Estados Unidos se mezcló con etanol. En enero de 2011, la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) emitió una exención para autorizar que hasta un 15% del etanol mezclado con gasolina ( E15 ) se venda solo para automóviles y camionetas pickup ligeras con un año de modelo de 2001 o más reciente.

A partir del año modelo 1999, un número cada vez mayor de vehículos en el mundo se fabrican con motores que pueden funcionar con cualquier combustible, desde 0% de etanol hasta 100% de etanol sin modificaciones. Muchos automóviles y camionetas (una clase que incluye minivans , SUV y camionetas ) están diseñados para ser vehículos de combustible flexible que utilizan mezclas de etanol hasta en un 85% ( E85 ) en América del Norte y Europa, y hasta en un 100% (E100) en Brasil. . En años de modelos más antiguos, sus sistemas de motor contenían sensores de alcohol en el combustible y / o sensores de oxígeno en el escape que brindan información a la computadora de control del motor para ajustar la inyección de combustible para lograr aire estequiométrico (sin combustible residual u oxígeno libre en el escape) relación entre combustible y combustible para cualquier mezcla de combustible. En los modelos más nuevos, los sensores de alcohol se han eliminado, y la computadora usa solo la retroalimentación del sensor de flujo de aire y oxígeno para estimar el contenido de alcohol. La computadora de control del motor también puede ajustar (avanzar) la sincronización del encendido para lograr una salida más alta sin preencendido cuando predice que hay porcentajes más altos de alcohol en el combustible que se quema. 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 hasta 2025 su objetivo de implementar un combustible para automóviles con mezcla de etanol al 20%. La tasa de mezcla de etanol de India en combustible (en el momento de esta revisión del objetivo) es del 8%, que se prevé que aumente al 10% para 2022 según la 'Hoja de ruta para la mezcla de etanol en India 2020-25' publicada el 5 de junio ( World Environment Day ) por el primer ministro Narendra Modi . El gobierno espera que las empresas de comercialización de petróleo como Indian Oil Corp (IOC) e Hindustan Petroleum Corp Ltd (HPCL) proporcionen un 20% de combustible mezclado con etanol a partir de abril de 2023 en adelante. Se espera que estados como Maharashtra y Uttar Pradesh, donde hay excedentes de etanol, sean los primeros en adoptar la tasa más alta de mezcla de combustible de etanol. India también está dando prioridad al despliegue de vehículos compatibles con combustible mezclado con etanol. A partir de marzo de 2021, los fabricantes de automóviles deben indicar que la compatibilidad con etanol de los vehículos nuevos y los motores deben estar diseñados de manera óptima para usar 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 mezclados con etanol antes de abril de 2022. Sin embargo, a los ambientalistas les preocupa que el mayor objetivo de la India para la mezcla de etanol pueda incentivar los cultivos intensivos en agua como la caña de azúcar y el arroz, y sugieren que el gobierno debería centrarse en menores - cultivos intensivos en agua, como el mijo, ya que la India ya se enfrenta a una grave escasez de agua.

Otras configuraciones de motor

Motores ED95

Desde 1989 también ha habido motores de etanol basados ​​en el principio diesel que operan en Suecia. Se utilizan principalmente en autobuses urbanos, pero también en camiones de distribución y recolectores de residuos. Los motores, fabricados por Scania , tienen una relación de compresión modificada y el combustible (conocido como ED95) utilizado es una mezcla de 93,6% de etanol y 3,6% de mejorador de encendido y 2,8% de desnaturalizantes . El mejorador de encendido hace posible que el combustible se encienda en el ciclo de combustión diesel. Entonces también es posible utilizar la eficiencia energética del principio diesel con etanol. Reading Buses ha utilizado estos motores en el Reino Unido, pero ahora se está eliminando el uso de combustible de bioetanol.

Inyección directa de combustible dual

Un estudio del MIT de 2004 y un artículo anterior publicado por la Sociedad de Ingenieros Automotrices identificaron un método para explotar las características del etanol combustible de manera sustancialmente más eficiente que mezclarlo con gasolina. El método presenta la posibilidad de aprovechar el uso de alcohol para lograr una mejora definitiva sobre la rentabilidad del híbrido eléctrico. La mejora consiste en utilizar inyección directa de doble combustible de alcohol puro (o el azeótropo o E85) y gasolina, en cualquier proporción hasta el 100% de ambos, en un motor turboalimentado, de alta relación de compresión, de pequeña cilindrada y con un rendimiento similar. a un motor que tiene el doble de cilindrada. Cada combustible se transporta por separado, con un tanque de alcohol mucho más pequeño. El motor de alta compresión (para mayor eficiencia) funciona con gasolina normal 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 "golpe", como cuando se acelera significativamente. La inyección directa de cilindros eleva el ya elevado índice de octanaje del etanol hasta un efectivo 130. La reducción total calculada del uso de gasolina y la emisión de CO 2 es del 30%. El tiempo de recuperación del costo del consumidor muestra una mejora de 4: 1 con respecto al turbodiésel y una mejora de 5: 1 con respecto al híbrido. También se evitan los problemas de absorción de agua en la gasolina premezclada (que causa la separación de fases), los problemas de suministro de múltiples proporciones de mezcla y el arranque en clima frío.

Mayor eficiencia térmica

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 de aproximadamente la de un diesel. Esto daría como resultado que la economía de combustible de un vehículo de etanol limpio sería aproximadamente la misma que la de uno que quema gasolina.

Pilas de combustible impulsadas por un reformador de etanol

En junio de 2016, Nissan anunció planes para desarrollar vehículos de pila de combustible impulsados ​​por etanol en lugar de hidrógeno , el combustible elegido por los otros fabricantes de automóviles que han desarrollado y comercializado vehículos de pila de combustible, como Hyundai Tucson FCEV , Toyota Mirai y Honda FCX. Claridad . La principal ventaja de este enfoque técnico es que sería más barato y más fácil desplegar la infraestructura de abastecimiento de combustible que instalar la necesaria para suministrar hidrógeno a altas presiones, ya que construir cada estación de abastecimiento de hidrógeno cuesta entre US $ 1 millón y US $ 2 millones .

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 celda de combustible de óxido sólido (SOFC). La celda de combustible genera electricidad para suministrar energía al motor eléctrico que impulsa las ruedas, a través de una batería que maneja las demandas máximas de energía y almacena energía regenerada. El vehículo incluiría un tanque para una mezcla de agua y etanol, que se 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 agua y etanol en una proporción de 55:45. Nissan espera comercializar su tecnología para 2020.

Experiencia por pais

Los principales productores de combustible de etanol del mundo en 2011 fueron los Estados Unidos con 13,9 × 10 9 galones estadounidenses (5,3 × 10 10 litros ; 1,16 × 10 10 galones imperiales ) y Brasil con 5,6 × 10 9 galones estadounidenses (2,1 × 10 10 litros; 4,7 × 10 9 galones imperiales), que en conjunto representan el 87,1% de la producción mundial de 22,36 × 10 9 galones estadounidenses (8,46 × 10 10 litros; 1,862 × 10 10 galones imperiales). Los fuertes incentivos, junto con otras iniciativas de desarrollo de la industria, están dando lugar a industrias incipientes de etanol en países como Alemania, España, Francia, Suecia, China, Tailandia, Canadá, Colombia, India, Australia y algunos países de América Central.

Producción anual de etanol combustible por país
(2007-2011)
Los 10 principales países / bloques regionales
(Millones de galones líquidos de EE. UU. Por año)

Rango mundial
País / Región 2011 2010 2009 2008 2007
1  Estados Unidos 13.900,00 13.231,00 10.938,00 9.235,00 6.485,00
2  Brasil 5.573,24 6,921.54 6.577,89 6.472,20 5.019,20
3  UE 1.199,31 1.176,88 1.039,52 733.60 570.30
4  porcelana 554,76 541,55 541,55 501,90 486,00
5  Tailandia 435.20 89,80 79,20
6  Canadá 462.30 356,63 290,59 237,70 211.30
7  India 91,67 66,00 52,80
8  Colombia 83.21 79.30 74,90
9  Australia 87,20 66.04 56,80 26.40 26.40
10 Otro 247,27
Total mundial 22.356,09 22.946,87 19.534,99 17.335,20 13.101,70

Medio ambiente

Balance de energía

Balance de energía
País Escribe Balance de energía
Estados Unidos Etanol de maíz 1.3
Alemania Biodiesel 2.5
Brasil Etanol de caña de azúcar 8
Estados Unidos Etanol celulósico 2–36 ††

† experimental, no en producción comercial

†† según el método de producción

Toda la biomasa pasa por al menos algunos de estos pasos: debe cultivarse, recolectarse, secarse, fermentarse, destilarse y quemarse. Todos estos pasos requieren recursos e infraestructura. La cantidad total de energía introducida en el proceso en comparación con la energía liberada al quemar el combustible de etanol resultante se conoce como balance energético (o " energía devuelta sobre la energía invertida "). Las cifras compiladas en un informe de 2007 por National Geographic apuntan a resultados modestos para el etanol de maíz producido en los Estados Unidos: se requiere una unidad de energía de combustible fósil para crear 1.3 unidades de energía a partir del etanol resultante. El balance energético para el etanol de caña de azúcar producido en Brasil es más favorable, con una unidad de energía de combustibles fósiles necesaria para crear 8 a partir del etanol. Las estimaciones del balance energético no se producen fácilmente, por lo que se han generado numerosos informes de este tipo que son contradictorios. Por ejemplo, una encuesta separada informa que la producción de etanol a partir de la caña de azúcar, que requiere un clima tropical para crecer productivamente, devuelve de 8 a 9 unidades de energía por cada unidad gastada, en comparación con el maíz, que solo devuelve alrededor de 1,34 unidades de energía combustible. por cada unidad de energía gastada. Un estudio de 2006 de la Universidad de California en Berkeley, después de analizar seis estudios separados, concluyó que la producción de etanol a partir de maíz usa mucho menos petróleo que la producción de gasolina.

El dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero , se emite durante la fermentación y la combustión. Esto se cancela por la mayor absorción de dióxido de carbono por las plantas a medida que crecen para producir la biomasa. Cuando se produce mediante ciertos métodos, el etanol libera menos gases de efecto invernadero que la gasolina.

La contaminación del aire

En comparación con la gasolina sin plomo convencional , el etanol es una fuente de combustible de combustión libre de partículas que se quema con oxígeno para formar dióxido de carbono, monóxido de carbono, agua y aldehídos . La Ley de Aire Limpio requiere la adición de compuestos oxigenados para reducir las emisiones de monóxido de carbono en los Estados Unidos. El aditivo MTBE se está eliminando actualmente debido a la contaminación del agua subterránea, por lo que el etanol se convierte en un aditivo alternativo atractivo. Los métodos de producción actuales incluyen la contaminación del aire del fabricante de fertilizantes con macronutrientes como el amoníaco.

Un estudio realizado por científicos atmosféricos de la Universidad de Stanford encontró que el combustible E85 aumentaría el riesgo de muertes por contaminación del aire en relación con la gasolina en un 9% en Los Ángeles, EE. UU.: Una metrópolis urbana muy grande basada en automóviles que es el peor de los casos. Los niveles de ozono aumentan significativamente, lo que aumenta el smog fotoquímico y agrava problemas médicos como el asma.

Brasil quema cantidades significativas de biocombustible etanol. Gas del cromatógrafo se realizaron estudios de aire ambiente en Sao Paulo, Brasil, y se comparan con Osaka, Japón, que no se quema el combustible etanol. El formaldehído atmosférico fue un 160% más alto en Brasil y el acetaldehído fue un 260% más alto.

Dióxido de carbono

Cálculo del gobierno del Reino Unido de la intensidad de carbono del bioetanol de maíz cultivado en los EE. UU. Y quemado en el Reino Unido.
Gráfico de las cifras del Reino Unido para la intensidad de carbono del bioetanol y los combustibles fósiles . Este gráfico asume que todos los bioetanoles se queman en su país de origen y que las tierras de cultivo previamente existentes se utilizan para cultivar la materia prima.

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 mediante el cual se produce el etanol y de las suposiciones realizadas en el cálculo. Un cálculo debe incluir:

  • El costo de cultivar la materia prima
  • El costo de transportar la materia prima a la fábrica.
  • El costo de procesar la materia prima en bioetanol.

Dicho cálculo puede considerar o no los siguientes efectos:

  • El costo del cambio en el uso de la tierra del área donde se cultiva la materia prima para combustible.
  • El costo de transporte del bioetanol desde la fábrica hasta su punto de uso.
  • La eficiencia del bioetanol en comparación con la gasolina estándar.
  • La cantidad de dióxido de carbono producido en el tubo de escape.
  • Los beneficios derivados de la producción de subproductos útiles, como la alimentación del ganado o la electricidad.

El gráfico de la derecha muestra cifras calculadas por el gobierno del Reino Unido a los efectos de la obligación de combustible renovable para transporte .

El artículo de Science de enero de 2006 del ERG de UC Berkeley, estimó la reducción del etanol de maíz en los gases de efecto invernadero en un 13% después de revisar una gran cantidad de estudios. En una corrección a ese artículo publicado poco después de su publicación, reducen el valor estimado al 7,4%. Un artículo general de National Geographic (2007) sitúa las cifras en un 22% menos de emisiones de CO 2 en la producción y el uso de etanol de maíz en comparación con la gasolina y una reducción del 56% en el etanol de caña. El fabricante de automóviles Ford informa una reducción del 70% en las emisiones de CO 2 con bioetanol en comparación con la gasolina para uno de sus vehículos de combustible flexible.

Una complicación adicional es que la producción requiere labrar tierra nueva que produce una liberación única de GEI que puede llevar décadas o siglos de reducciones de producción en las emisiones de GEI para igualar. Por ejemplo, convertir los pastizales en producción de maíz para obtener etanol requiere aproximadamente un siglo de ahorros anuales para compensar los GEI liberados por la labranza inicial.

Cambio de uso de la tierra

La agricultura a gran escala es necesaria para producir alcohol agrícola y esto requiere cantidades sustanciales de tierra cultivada. Investigadores de la Universidad de Minnesota informan que si todo el maíz cultivado en los EE. UU. Se usara para producir etanol, desplazaría el 12% del consumo actual de gasolina de EE. UU. Hay afirmaciones de 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 generalmente no son adecuadas para cultivos. En cualquier caso, la agricultura puede implicar una disminución de la fertilidad del suelo debido a la reducción de materia orgánica, una disminución en la disponibilidad y calidad del agua, un aumento en el uso de pesticidas y fertilizantes y una posible dislocación de las comunidades locales. La nueva tecnología permite a los agricultores y procesadores producir cada vez más el mismo producto utilizando menos insumos.

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 alimentarias y las necesidades de combustible. En lugar de utilizar solo los subproductos del almidón de la molienda del trigo y otros cultivos, la producción de etanol celulósico maximiza el uso de todos los materiales vegetales, incluido el gluten. Este enfoque tendría una menor huella de carbono porque la cantidad de fertilizantes y fungicidas que consumen mucha energía sigue siendo la misma para una mayor producción de material utilizable. La tecnología para la producción de etanol celulósico se encuentra actualmente en etapa de comercialización .

Usar biomasa para electricidad en lugar de etanol

Convertir biomasa en electricidad para cargar vehículos eléctricos puede ser una opción de transporte más "respetuosa con el clima" que usar biomasa para producir combustible de etanol, según un análisis publicado en Science en mayo de 2009 Los investigadores continúan buscando desarrollos más rentables tanto en celulosa etanol y baterías de vehículos avanzadas.

Costos para la salud de las emisiones de etanol

Por cada mil millones de galones de combustible equivalente a etanol producido y quemado en los EE. UU., Los costos combinados del cambio climático y la salud son de $ 469  millones para la gasolina, $ 472-952  millones para el etanol de maíz, dependiendo de la fuente de calor de la biorrefinería (gas natural, rastrojo de maíz o carbón) y tecnología, pero solo $ 123-208  millones para etanol celulósico dependiendo de la materia prima (biomasa de pradera, Miscanthus, rastrojo de maíz o pasto varilla ).

Eficiencia de cultivos comunes

A medida que mejoran los rendimientos de etanol o se introducen 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 de cada unidad de maíz utilizando biotecnología. Además, mientras los precios del petróleo sigan siendo altos, el uso económico de otras materias primas, como la celulosa , será viable. Los subproductos como la paja o las astillas de madera se pueden convertir en etanol. Las especies de rápido crecimiento como el pasto varilla se pueden cultivar en tierras no aptas para otros cultivos comerciales y producen altos niveles de etanol por unidad de área.

Cultivo Rendimiento anual (litros / hectárea, galones estadounidenses / acre) Ahorro de gases de efecto invernadero
frente a gasolina [a]
Resistencia al frío

Límite de zona

Caliente

Límite de zona de resistencia

Comentarios
Caña de azúcar 6800–8000 L / ha,
727–870 gal / acre
87% -96% 9 13 Hierba anual de larga temporada. Se utiliza como materia prima para la mayor parte del bioetanol producido en Brasil. Las plantas de procesamiento más nuevas queman residuos que no se utilizan para el etanol para generar electricidad. Crece solo en climas tropicales y subtropicales.
Miscanthus 7300 L / ha,
780 gal / acre
37% -73% 5 9 Hierba perenne de bajo insumo. La producción de etanol depende del desarrollo de la tecnología celulósica.
Switchgrass 3100–7600 L / ha,
330–810 galones / acre
37% -73% 5 9 Hierba perenne de bajo insumo. La producción de etanol depende del desarrollo de la tecnología celulósica. Se están realizando esfuerzos de mejoramiento para aumentar los rendimientos. Es posible una mayor producción de biomasa con especies mixtas de gramíneas perennes.
Álamo 3700–6000 L / ha,
400–640 gal / acre
51% –100% 3 9 Árbol de rápido crecimiento. La producción de etanol depende del desarrollo de la tecnología celulósica. La finalización del proyecto de secuenciación genómica ayudará a los esfuerzos de mejoramiento para aumentar los rendimientos.
Sorgo dulce 2500–7000 L / ha,
270–750 gal / acre
Sin datos 9 12 Hierba anual de bajo insumo. Es posible la producción de etanol utilizando la tecnología existente. Crece en climas tropicales y templados, pero las estimaciones de rendimiento de etanol más altas asumen múltiples cosechas por año (posible solo en climas tropicales). No se almacena bien.
Maíz 3100–4000 L / ha,
330–424 gal / acre
10% -20% 4 8 Hierba anual de alto insumo. Se utiliza como materia prima para la mayor parte del bioetanol producido en EE. UU. Solo los granos se pueden procesar utilizando la tecnología disponible; El desarrollo de la tecnología celulósica comercial permitiría el uso de rastrojos y aumentaría el rendimiento de etanol en 1.100 - 2.000 litros / ha.
Remolacha azucarera 6678 L / ha,

714 gal / acre

Sin datos 2 10 Cultivado como cultivo de etanol en Francia.
Mandioca 3835 L / ha,

410 gal / acre

Sin datos 10 13 Cultivado como cultivo de etanol en Nigeria.
Trigo 2591 L / ha,

277 gal / acre

Sin datos 3 12 Cultivado como cultivo de etanol en Francia.
Fuente (excepto las indicadas): Nature 444 (7 de diciembre de 2006): 673–676.
[a] - Ahorro de emisiones de GEI suponiendo que no se cambie el uso de la tierra (utilizando las tierras de cultivo existentes).

Reducción de las importaciones y los costos de petróleo

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 cambiar la necesidad de un poco de petróleo producido en el extranjero a fuentes de energía producidas en el país. La producción de etanol requiere una cantidad significativa de energía, pero la producción actual de Estados Unidos deriva la mayor parte de esa energía del carbón, el gas natural y otras fuentes, en lugar del petróleo. Debido a que el 66% del petróleo consumido en los EE. UU. Es importado, en comparación con un excedente neto de carbón y solo el 16% del gas natural (cifras de 2006), el desplazamiento de los combustibles a base de petróleo por el etanol produce un cambio neto de los EE. UU. Extranjeros a los nacionales. fuentes de energia.

Según un análisis realizado en 2008 por la Universidad Estatal de Iowa, el crecimiento de la producción de etanol en Estados Unidos ha provocado que los precios minoristas de la gasolina sean entre 0,29 y 0,40 dólares EE.UU. por galón más bajos de lo que hubiera sido de otro modo.

Deportes de motor

Leon Duray se clasificó tercero para la carrera de autos de las 500 Millas de Indianápolis de 1927 con un automóvil a etanol. La serie IndyCar adoptó una mezcla de etanol al 10% para la temporada 2006 y una mezcla al 98% en 2007.

El campeonato estadounidense de autos deportivos de la Serie Le Mans 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 cambiar a él.

En 2011, las tres series nacionales de autos stock de NASCAR exigieron un cambio de gasolina a E15, una mezcla de combustible de carreras sin plomo Sunoco GTX y etanol al 15%.

El campeonato australiano de superdeportivos V8 utiliza Shell E85 como combustible de carreras.

Stock Car Brasil Championship funciona con etanol puro, E100.

El combustible de etanol también se puede utilizar como combustible para cohetes . A partir de 2010, se utilizan pequeñas cantidades de etanol en aviones ligeros de carreras de cohetes .

Combustible de cocción de repuesto

Project Gaia es una organización no gubernamental y sin fines de lucro de los Estados Unidos involucrada en la creación de un mercado doméstico comercialmente viable para combustibles a base de alcohol en Etiopía y otros países del mundo en desarrollo . El proyecto considera que los combustibles 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. Dirigida a 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 se encuentra en la etapa de planificación de proyectos en varios otros países.

Investigar

Planta de etanol en el condado de Turner , Dakota del Sur

La investigación del etanol se centra en fuentes alternativas, nuevos catalizadores y procesos de producción. INEOS produjo etanol a partir de material vegetal y desechos de madera. La bacteria E. coli, cuando se manipula genéticamente con genes y enzimas del rumen de la vaca, puede producir etanol a partir del rastrojo de maíz . 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 .

Bibliografía

  • J. Goettemoeller; A. Goettemoeller (2007). Etanol sostenible: biocombustibles, biorrefinerías, biomasa celulósica, vehículos de combustible flexible y agricultura sostenible para la independencia energética (Breve y completo relato de la historia, evolución y futuro del etanol) . Prairie Oak Publishing, Maryville, Misuri. ISBN 978-0-9786293-0-4.
  • Onuki, Shinnosuke; Koziel, Jacek A .; van Leeuwen, Johannes; Jenks, William S .; Grewell, David; Cai, Lingshuang (junio de 2008). Técnicas de producción, purificación y análisis de etanol: una revisión . Reunión Internacional Anual de ASABE 2008. Providence, Rhode Island . Consultado el 16 de febrero de 2013 .
  • El Instituto Worldwatch (2007). Biocombustibles para el transporte: potencial global e implicaciones para la energía y la agricultura (Visión global, incluye casos de estudio de países de Brasil, China, India y Tanzania) . Londres, Reino Unido: Earthscan Publications. ISBN 978-1-84407-422-8.

Ver también

Referencias

enlaces externos