Combustible de alcohol

Se utilizan varios alcoholes como combustible para motores de combustión interna . Los cuatro primeros alcoholes alifáticos ( metanol , etanol , propanol y butanol ) son de interés como combustibles porque pueden sintetizarse química o biológicamente y poseen características que permiten su uso en motores de combustión interna. La fórmula química general del alcohol combustible es C _n H _2n+1 OH .

La mayor parte del metanol se produce a partir de gas natural, aunque también puede obtenerse de biomasa mediante procesos químicos muy similares. El etanol se produce comúnmente a partir de material biológico mediante procesos de fermentación . El biobutanol presenta 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 (manteniendo un índice de octano superior en más del 25%); sin embargo, actualmente su producción es más compleja que la del etanol o el metanol. Cuando se obtienen a partir de materiales biológicos o procesos biológicos, se denominan bioalcoholes (por ejemplo, "bioetanol"). No existe diferencia química entre los alcoholes producidos biológicamente y los producidos químicamente.

Una ventaja común a los cuatro principales combustibles de alcohol es su alto índice de octano . Esto tiende a aumentar su eficiencia y compensa en gran medida la menor densidad energética de los combustibles de alcohol para vehículos (en comparación con la gasolina y el diésel), lo que resulta en un consumo de combustible comparable en términos de distancia por volumen, como kilómetros por litro o millas por galón.

El metanol y el etanol pueden obtenerse a partir de combustibles fósiles , biomasa o dióxido de carbono y agua. El etanol se ha producido tradicionalmente mediante la fermentación de azúcares, y el metanol a partir de gas de síntesis, pero existen métodos más modernos para obtener estos combustibles. Se pueden utilizar enzimas en lugar de la fermentación. El metanol es la molécula más simple, y el etanol se puede obtener a partir de él. 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, tanto el metanol como el etanol tienen ventajas y desventajas sobre combustibles como la gasolina y el diésel . En motores de encendido por chispa, ambos alcoholes pueden funcionar con tasas de recirculación de gases de escape mucho más altas y con relaciones de compresión más altas . Ambos alcoholes tienen un alto índice de octano , con el etanol a 109 RON ( Número de Octano de Investigación ), 90 MON ( Número de Octano del Motor ), (que equivale a 99,5 AKI ) y el metanol a 109 RON, 89 MON (que equivale a 99 AKI). ^{[ 2 ]} Tenga en cuenta que AKI se refiere al ' Índice Antidetonante ' que promedia los índices RON y MON (RON+MON)/2, y se utiliza en los surtidores de las estaciones de servicio de EE. UU. La gasolina europea común suele ser de 95 RON, 85 MON, igual a 90 AKI. Como combustible para motores de encendido por compresión, ambos alcoholes generan muy pocas partículas, pero su bajo índice de cetano implica que se debe mezclar un mejorador de la ignición, como el glicol, con el combustible en una proporción aproximada del 5%.

Cuando se utilizan en motores de encendido por chispa, los alcoholes tienen el potencial de reducir los NOx , CO , HC y partículas. Una prueba con Chevrolet Luminas alimentados con E85 mostró que los NMHC ^{[ 3 ]} disminuyeron entre un 20 y un 22 %, los NOx entre un 25 y un 32 % y los 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, en particular las de acetaldehído .

Las emisiones de CO₂ por el 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 haluro , que son contaminantes solubles, como los iones cloruro, tienen un gran efecto sobre la corrosividad de los combustibles alcohólicos. Los iones haluro aumentan la corrosión de dos maneras: atacan químicamente las películas de óxido pasivantes en varios metales causando corrosión por picaduras, y aumentan la conductividad del combustible. El aumento de la conductividad eléctrica promueve la corrosión eléctrica, galvánica y ordinaria en el sistema de combustible. Los contaminantes solubles, como el hidróxido de aluminio, que a su vez es un producto de la corrosión por iones haluro, obstruyen el sistema de combustible con el tiempo.

Para prevenir la corrosión, el sistema de combustible debe estar fabricado con materiales adecuados, los cables eléctricos deben estar correctamente aislados y el sensor de nivel de combustible debe ser magnetorresistivo de tipo pulsador y retenedor u otro tipo similar sin contacto. Además, el alcohol de alta calidad debe tener una baja concentración de contaminantes y contener un inhibidor de corrosión adecuado. La evidencia científica revela que el agua actúa como inhibidor de la corrosión causada por el etanol. ^{[ 6 ]}

Los experimentos se realizan con E50, que es más agresivo y acelera el efecto de corrosión. Es muy claro que al aumentar 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. En consonancia con las observaciones 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 H₂ _en mezclas bajas - medias. Cuando hay suficiente agua presente en el combustible, el aluminio reaccionará preferentemente con el agua para producir Al₂O₃ _{, reparando la capa protectora de óxido de} aluminio. El alcóxido de aluminio no forma una capa de óxido compacta; el agua es esencial para reparar los poros 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 del polímero, reduciendo su resistencia a la tracción. Sin embargo, durante las últimas décadas, la mayoría de los automóviles se han diseñado para tolerar hasta un 10 % de etanol (E10) sin problemas. Esto incluye la compatibilidad con el sistema de combustible y la compensación lambda del suministro de combustible en motores de inyección con control lambda de circuito cerrado. En algunos motores, el etanol puede degradar ciertas composiciones de componentes de plástico o caucho del sistema de suministro de combustible diseñados para gasolina convencional, y también puede impedir una compensación lambda adecuada del combustible.

Los vehículos "FlexFuel" cuentan con sistemas de combustible y componentes del motor mejorados, diseñados para una mayor durabilidad con E85 o M85. La ECU se adapta a cualquier mezcla de gasolina y E85 o M85. Las mejoras típicas incluyen modificaciones en: tanques de combustible, cableado eléctrico del tanque, bombas de combustible, filtros de combustible, líneas de combustible, tubos de llenado, sensores de nivel de combustible, inyectores, juntas, rieles de combustible, reguladores de presión de combustible, asientos de válvulas y válvulas de admisión. Los automóviles "Total Flex" destinados al mercado brasileño pueden usar E100 (100 % etanol).

Un litro de etanol libera 21,1 MJ en la combustión, un litro de metanol 15,8 MJ y un litro de gasolina aproximadamente 32,6 MJ. En otras palabras, para obtener el mismo contenido energético que un litro o un galón de gasolina, se necesitan 1,6 litros/galones de etanol y 2,1 litros/galones de metanol. Sin embargo, las cifras de energía por volumen dan lugar a datos de consumo de combustible engañosos, ya que los motores que funcionan con alcohol pueden ser considerablemente más eficientes energéticamente. Un mayor porcentaje de la energía liberada por la combustión de un litro de alcohol se puede convertir en trabajo útil. Esta diferencia de eficiencia puede compensar parcial o totalmente la diferencia de densidad energética, según los motores que se comparen.

Se ha propuesto el metanol como biocombustible del futuro, a menudo como alternativa a la economía del hidrógeno . El metanol tiene una larga historia como combustible de competición. En los primeros Grandes Premios se utilizaban mezclas, así como metanol puro. Este combustible se usó principalmente en Norteamérica después de la guerra. Sin embargo, el metanol para competición se ha basado en gran medida en metanol producido a partir de gas de síntesis derivado del gas natural, por lo que este metanol no se consideraría un biocombustible. No obstante, el metanol sí es un posible biocombustible cuando el gas de síntesis se obtiene de la biomasa .

En teoría, el metanol también puede producirse a partir de biomasa de origen sostenible y, en última instancia, de dióxido de carbono, así como mediante electrólisis de hidrógeno utilizando energía nuclear, geotérmica u otra fuente de energía renovable (véase Carbon Recycling International ). En comparación con el bioetanol, la principal ventaja del metanol como biocombustible es su mayor eficiencia en el ciclo de vida del producto. Esto es especialmente relevante en climas templados, donde se necesitan fertilizantes para cultivar plantas azucareras o almidonadas para producir etanol, mientras que el metanol puede producirse a partir de biomasa lignocelulósica (leñosa) sin fertilizar.

El etanol ya se utiliza ampliamente como aditivo para combustibles , y su uso, solo o mezclado con gasolina, está en aumento. En comparación con el metanol, su principal ventaja es que es menos corrosivo y no tóxico, aunque produce algunas emisiones tóxicas en los gases de escape. Desde 2007, IndyCar utiliza etanol como combustible exclusivo, tras 40 años de uso de metanol. ^{[ 7 ]} Desde septiembre de 2007, las gasolineras de Nueva Gales del Sur, Australia, están obligadas a suministrar toda su gasolina con un 2 % de etanol. ^{[ 8 ]}

El propanol y el butanol son considerablemente menos tóxicos y menos volátiles que el metanol. En particular, el butanol tiene un punto de inflamación elevado de 35  °C, lo que resulta beneficioso para la seguridad contra incendios, pero puede dificultar el arranque de los motores en climas fríos. Sin embargo, el concepto de punto de inflamación no es directamente aplicable a los motores, ya que la compresión del aire en el cilindro hace que la temperatura alcance 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 complejos de llevar a cabo, y el organismo de Weizmann ( Clostridium acetobutylicum ) que se utiliza actualmente para realizar estas conversiones produce un olor extremadamente desagradable; 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 ]} En 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 común se puede modificar para mejorar su resistencia al etanol, los científicos podrían algún día producir una cepa del organismo de 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 que queda de los cultivos de azúcar utilizados para producir etanol podría transformarse en butanol, aumentando así el rendimiento de alcohol de los cultivos combustibles sin necesidad de plantar más cultivos.

A pesar de estos inconvenientes, DuPont y BP han anunciado recientemente que construirán conjuntamente una planta de demostración de combustible de 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 con el fin de producir butanol en lugar de etanol. Las levaduras, como organismos productores de butanol, presentan ventajas decisivas en comparación con las bacterias. ^{[ 13 ]}

_Combustión del butanol: C₄H₉OH ₊ 6O₂ _→ 4CO₂ ₊ 5H₂O ₊ calor

_Combustión del propanol: _2C₃H₇OH + 9O₂ _→ 6CO₂ ₊ 8H₂O ₊ calor

_{El propanol ( C₃H₇OH} ), un alcohol de tres carbonos , no se utiliza con frecuencia como combustible directo para motores de gasolina ( _a diferencia del etanol, el metanol y el butanol), destinándose principalmente a disolventes. Sin embargo, se utiliza como fuente de hidrógeno en algunos tipos de pilas de combustible, ya que puede generar un voltaje superior al del metanol, el combustible preferido para la mayoría de las pilas de combustible basadas en alcohol. No obstante, dado que el propanol es más difícil de producir que el metanol (ya sea biológicamente o a partir de petróleo), se prefieren las pilas de combustible que utilizan metanol a las que utilizan propanol.

• Banco Mundial, Biocombustibles: La promesa y los riesgos. Informe sobre el Desarrollo Mundial 2008: Agricultura para el desarrollo.
• Biobutanol de EERE .
• http://www.greencarcongress.com/biobutanol/index.html Archivado el 2 de abril de 2015 en Wayback Machine
• https://web.archive.org/web/20080528051420/http://www.ethanol.org/pdf/contentmgmt/2007_Ethanol_Fact_Book.pdf