domingo, 20 de agosto de 2017

5 COMBUSTIBLES CON BASE EN ALCOHOL 1

El etanol es el alcohol etílico, el mismo tipo de alcohol que se encuentra en las bebidas alcohólicas, utilizado como combustible. Se utiliza más a menudo como un combustible de motor, principalmente como un aditivo de biocombustible para la gasolina. El primer automóvil de producción que funcionaba enteramente en etanol era el Fiat 147, introducido en 1978 en Brasil por Fiat (Amatucci & Spers, 2010). El etanol se hace comúnmente de la biomasa tal como maíz o caña de azúcar. El combustible de etanol tiene un valor de "equivalencia de galón de gasolina" (GGE) de 1,5, es decir, para reemplazar la energía de un volumen de gasolina, es necesario 1,5 veces el volumen de etanol. El combustible mezclado con etanol es ampliamente utilizado en Brasil, Estados Unidos y Europa (Dinneen, 2012). La mayoría de los automóviles en circulación hoy en los Estados Unidos pueden funcionar con mezclas de hasta 10% de etanol (Valentine, 2011), y el etanol representa el 10% del suministro de combustible de la gasolina estadounidense derivado de fuentes domésticas en 2011 (Dinneen, 2012).  Además, muchos automóviles de hoy en día son vehículos de combustible flexible que pueden usar combustible 100% etanol.

Ahora la pregunta del millón es ¿Por qué usar Etanol en lugar de gasolina corriente si el etanol tiene un rendimiento inferior? El bioetanol es una forma de energía renovable que puede ser producida a partir de materias primas agrícolas. Se puede hacer de cultivos muy comunes como el cáñamo, la caña de azúcar, la papa, la yuca y el maíz. Ha habido un debate considerable acerca de cuán útil es el 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 (Giampietro & Mayumi, 2009), así como al balance de energía y contaminación de todo el ciclo de producción de etanol (Pfeiffer, 2005), después de todo los fertilizantes empleados también se generan de la industria petrolera y todo el sistema agrícola industrial tiene su propia huella de carbono.Los recientes desarrollos con la producción y comercialización de etanol celulósico pueden disipar algunas de estas preocupaciones (Kinver, 2006). El etanol celulósico es prometedor porque las fibras de celulosa, un componente principal y universal en las paredes celulares de las plantas, pueden utilizarse para producir etanol (BioPower, 2011; Inderwildi & King, 2009). Según la Agencia Internacional de la Energía, el etanol celulósico podría permitir que los combustibles de etanol desempeñen un papel mucho más importante en el futuro (Publishing, 2008).

5.1 Química del bioetanol

5.1.1 Síntesis

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

La fermentación con etanol no es 100% selectiva con otros productos secundarios tales como ácido acético, glicoles y muchos otros productos producidos. Se eliminan principalmente durante la purificación del etanol. La fermentación tiene lugar en una solución acuosa. La solución resultante tiene un contenido de etanol de alrededor del 15%. El etanol es posteriormente aislado y purificado por una combinación de adsorción y destilación. Por suerte muchas de esas sustancias tienen sus propios usos, así que no se desperdician.

5.1.2 Combustión

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 glicosa y otros azúcares que posteriormente se pueden fermentar. El producto resultante se llama etanol celulósico, indicando su fuente. El etanol también puede producirse industrialmente a partir de etileno por hidratación del doble enlace en presencia de catalizadores y alta temperatura.

Sin embargo, la mayor parte de la producción mundial de etanol se produce por fermentación.

5.2 Fuentes del bioetanol

5.2.1 Fuentes fosiles

Alrededor del 5% del etanol producido en el mundo en 2003 fue en realidad un producto petrolífero (Publishing, 2008). Se fabrica por hidratación catalítica de etileno con ácido sulfúrico como catalizador. También puede obtenerse a través de etileno o acetileno, a partir de carburo de calcio, carbón, gas de petróleo y otras fuentes. Se producen anualmente dos millones de toneladas cortas (1,786,000 toneladas largas, 1,814,000 t) de etanol derivado del petróleo. Los principales proveedores son las plantas en los Estados Unidos, Europa y Sudáfrica (Berg & Licht, 2004).  El etanol derivado del petróleo (etanol sintético) es químicamente idéntico al bioetanol y sólo puede diferenciarse por datación con radiocarbono (Ezinkwo, Tretyakov, Aliyu, & Ilolov, 2014).

5.2.2 Fuentes biológicas

El bioetanol se obtiene usualmente a partir de la conversión de materia prima basada en carbono. Las materias primas agrícolas se consideran renovables porque obtienen energía del sol utilizando la fotosíntesis, siempre que todos los minerales requeridos para el crecimiento (como el nitrógeno y el fósforo) sean devueltos a la tierra. El etanol puede ser producido a partir de una variedad de materias primas como la caña de azúcar, el bagazo, el miscanthus, la remolacha azucarera, el sorgo, el grano, el pasto s, la cebada, el cáñamo, el kenaf, la patata, la batata, la mandioca, el girasol, trigo, paja, algodón, otras biomasas, así como muchos tipos de residuos de celulosa. Un proceso alternativo para producir bioetanol a partir de algas está siendo desarrollado por la empresa Algenol. 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  56.000 litros por hectárea al año, en comparación con  3.700 L/ha para la producción de maíz (Ezinkwo, Tretyakov, Aliyu, & Ilolov, 2014).

En la actualidad, los procesos de primera generación para la producción de etanol a partir de maíz utilizan sólo una pequeña parte de la planta de maíz: los granos de maíz se toman de la planta de maíz y sólo 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 vegetal en etanol, mientras que el segundo tipo utiliza la pirólisis para convertir la planta entera en un bio-aceite líquido o un gas de síntesis. Los procesos de segunda generación también pueden usarse con plantas tales como pastos, madera o residuos agrícolas tales como paja.

5.3 El bioetanol en los motores

5.3.1 Economia

El etanol contiene aprox. 34% menos energía por unidad de volumen que la gasolina, y por lo tanto en teoría, la quema de etanol puro en un vehículo reduce el rendimiento en un 34%. Sin embargo, dado que el etanol tiene un índice de octanaje más alto, el motor puede hacerse más eficiente elevando su relación de compresión. Utilizando un turbocompresor de geometría variable o de doble espiral, la relación de compresión puede optimizarse para el combustible, haciendo que la economía de combustible sea casi constante para cualquier mezcla (Jo, 2013).

Para E10 (10% de etanol y 90% de gasolina), el efecto es pequeño (~ 3%) en comparación con la gasolina convencional  (Liu, Clemente, Hu, & Wei, 2007), e incluso menor (1-2%) en comparación con las mezclas oxigenadas y reformuladas. Para E85 (etanol al 85%), el efecto se hace significativo. E85 produce menor kilometraje que la gasolina, y requiere un reabastecimiento más frecuente. El rendimiento real puede variar dependiendo del vehículo. Basado en las pruebas de la EPA para todos los modelos E85 2006, la economía de combustible promedio para los vehículos E85 resultó un 25,56% menor que la gasolina sin plomom, sin embargo E85 es un combustible de alto rendimiento, con un índice de octanaje de alrededor de 94-96, y debe ser comparado con la gasolina primium  (Anderson et al., 2012).

5.3.2 Inicio a bajas temperaturas

Las mezclas altas de etanol presentan un problema para lograr una presión de vapor suficiente para que el combustible se evapore y encender durante el tiempo frío (ya que el etanol tiende a aumentar la entalpía de vaporización del combustible). Cuando la presión de vapor es inferior a 45 kPa, el arranque de un motor frío resulta difícil (Pickett et al., 2008). Para evitar este problema a temperaturas inferiores a 11 ° C y para reducir las emisiones más altas de etanol durante el tiempo frío, los mercados de Estados Unidos y Europa adoptaron E85 como la mezcla máxima para ser utilizados en sus vehículos de combustible flexible y se optimizan para funcionar en tal 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.  En lugares donde las temperaturas bajan por debajo de -12 ° C durante el invierno, se recomienda instalar un sistema de calentamiento de motor, tanto para la gasolina como para los vehículos E85. Suecia tiene una reducción estacional similar, pero el contenido de etanol en la mezcla se reduce a E75 durante los meses de invierno  (Clairotte et al., 2013; Song, 2002).

Los vehículos brasileños de combustible flexible pueden operar con mezclas de etanol hasta E100, que es etanol hidratado (con hasta 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 están construidos 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 meridional y central de Brasil, donde las temperaturas normalmente caen por debajo de los 15 ° C durante el invierno. En 2009 se lanzó una generación mejorada de motores flexibles que elimina la necesidad del tanque de almacenamiento de gas secundario  (Liu, 2014). 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  (Liu, 2014).

5.3.3 Mezclas nuevas de gasolina

En muchos países los automóviles tienen el mandato de funcionar con mezclas de etanol. Todos los vehículos ligeros brasileños están construidos para operar con una mezcla de etanol de hasta 25% (E25), y desde 1993 una ley federal requiere mezclas entre 22% y 25% de etanol, con un 25% a mediados de julio de 2011  (Rico, 2007).  En los Estados Unidos todos los vehículos ligeros están construidos para funcionar normalmente con una mezcla de etanol del 10% (E10). A finales de 2010, más del 90 por ciento de toda la gasolina vendida en los Estados Unidos se mezclaba con etanol  (Association, 2011). En enero de 2011, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) emitió una exención para autorizar hasta un 15% de etanol mezclado con gasolina (E15) para ser vendido solo para automóviles y camionetas ligeras con un año modelo de 2001 o más reciente  (Liu, 2014).

A partir del año modelo 1999, un número creciente de vehículos en el mundo se fabrican con motores que pueden funcionar con cualquier combustible de etanol al 0% hasta 100% sin modificación. Muchos automóviles y camiones ligeros (una clase que contiene minivans, SUVs y camionetas) están diseñados para ser vehículos de combustible flexible usando mezclas de etanol hasta 85% (E85) en América del Norte y Europa y hasta 100% (E100) en Brasil . En los modelos más antiguos, sus sistemas de motor contenían sensores de alcohol en los sensores de combustible y / o oxígeno en el escape que proporcionan entrada al ordenador de control del motor para ajustar la inyección de combustible para lograr un aire estequiométrico (sin combustible residual o oxígeno libre en el escape) para cualquier mezcla de combustible. En los modelos más nuevos, los sensores de alcohol se han eliminado, con el ordenador utilizando sólo el oxígeno y la regeneración del sensor de flujo de aire para estimar el contenido de alcohol. El ordenador de control del motor también puede ajustar (avanzar) el tiempo de encendido para conseguir una salida más alta sin pre-encendido cuando predice que hay porcentajes de alcohol más altos presentes en el combustible que se quema. Este método está respaldado por sensores de golpe avanzados - utilizados en la mayoría de los motores de gasolina de alto rendimiento, independientemente de si están diseñados para usar etanol o no - que detectan la pre-ignición no controlada.

En junio de 2016, Nissan anunció planes para desarrollar vehículos de celda de combustible impulsados por etanol en lugar de hidrógeno, el combustible preferido por los otros fabricantes de automóviles que han desarrollado y comercializado vehículos de celda de combustible, como el Hyundai Tucson FCEV, Toyota Mirai y Honda FCX Claridad. La ventaja principal de este enfoque técnico es que sería más barato y más fácil desplegar la infraestructura de abastecimiento de combustible que montar la que se requiere para suministrar hidrógeno a altas presiones, ya que cada estación de hidrógeno cuesta entre US $ 1 millón y US $ 2 millones para construir. Nissan planea crear una tecnología que utilice combustible líquido de etanol como fuente para generar hidrógeno dentro del propio vehículo. La tecnología utiliza calor para reformar etanol en hidrógeno para alimentar lo que se conoce como una célula 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 de potencia máxima y almacena energía regenerada. El vehículo incluiría un tanque para una mezcla de agua y etanol, que se alimenta en un reformador de a bordo que lo divide en hidrógeno puro y dióxido de carbono. Según Nissan, el combustible líquido podría ser una mezcla de etanol-agua en una proporción de 55:45. Nissan espera comercializar su tecnología para 2020 (Voelcker, 2016).

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