Combustible de etanol

El etanol combustible o 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 para motores, principalmente como aditivo de biocombustible para la gasolina. El primer automóvil de producción que funciona completamente con etanol fue el Fiat 147, presentado en 1978 en Brasil por Fiat. El etanol se produce 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 litros (4,5 × 10 gal EE.UU.; 3,7 × 10 gal imp.) a más de 52 × 10 litros (14 × 10 gal EE.UU.; 11 × 10 galón diablillo). De 2007 a 2008, la participación del etanol en el uso mundial de combustibles tipo gasolina aumentó del 3,7% al 5,4%. En 2011, la producción mundial de combustible de etanol alcanzó los 8,46 × 10 litros (2,23 × 10 gal EE.UU.; 1,86 × 10 gal imp.), siendo los Estados Unidos de América y Brasil los principales productores, representando el 62,2 % y el 25 % de la producción mundial, respectivamente. La producción de etanol de EE. UU. alcanzó los 57,54 × 10 litros (15,20 × 10 gal EE.UU.; 12,66 × 10 gal imp.) en mayo de 2017.

El combustible de etanol tiene un valor de "equivalencia de galón 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 con mezcla de etanol se usa ampliamente en Brasil, Estados Unidos y Europa (consulte 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 15 % de etanol, y el etanol representó el 10 % del suministro de combustible de gasolina de los EE. UU. derivado de fuentes nacionales en 2011. Algunos vehículos de combustible flexible pueden utilizar 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 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 el cáñamo, la caña de azúcar, la papa, la yuca y el 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 el balance energético y de contaminación de todo el ciclo de producción de etanol, especialmente a partir del maíz.

Química

Durante la fermentación del etanol, la glucosa y otros azúcares del maíz (o 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 de etanol no es 100% selectiva con productos secundarios como el ácido acético y los glicoles. En su mayoría se eliminan durante la purificación con etanol. La fermentación tiene lugar en una solución acuosa. La solución resultante tiene un contenido de etanol de alrededor del 15%. Posteriormente, el etanol se aísla y 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 por hidratación del doble enlace en presencia de un catalizador ya alta temperatura.C ₂ H ₄ + H ₂ O → C ₂ H ₅ OH

La mayor parte del etanol se produce por fermentación.

Fuentes

Alrededor del 5% del etanol producido en el mundo en 2003 era en realidad un producto del petróleo. Está hecho por la hidratación catalítica de etileno con ácido sulfúrico como catalizador. También se puede obtener a través de 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 en los Estados Unidos, Europa y Sudáfrica. El etanol derivado del petróleo (etanol sintético) es químicamente idéntico al bioetanol y solo se puede diferenciar mediante datación por radiocarbono.

El bioetanol generalmente se obtiene 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, miscanthus, remolacha azucarera, sorgo, cereales, pasto varilla, cebada, cáñamo, kenaf, papas, batatas, mandioca, girasol, frutas, melaza, maíz, rastrojo, grano, trigo, paja, algodón, otra biomasa, así como muchos tipos de residuos de celulosa y cosecha, lo que tenga la mejor evaluación del pozo a la 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 6000 galones estadounidenses por acre (5000 galones imperiales por acre; 56 000 litros por hectárea) por año en comparación con 400 galones estadounidenses por acre (330 imp gal/acre; 3700 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 seca del grano. 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 de la planta en etanol, mientras que el segundo tipo utiliza la pirólisis para convertir toda la planta en bioaceite líquido o gas de síntesis. Los procesos de segunda generación también se pueden utilizar con plantas como hierbas, madera o residuos agrícolas 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 de etanol a gran escala 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 la celulosa y el 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. Actualmente, la fermentación microbiana 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 (p. ej., caña de azúcar) y almidón (p. ej., maíz) pueden convertirse económicamente.

Hay interés en el etanol celulósico obtenido de la descomposición de la celulosa vegetal en azúcares y la conversión de los azúcares en etanol. Sin embargo, el etanol celulósico actualmente no es económico 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

Para que el etanol se pueda utilizar como combustible, se deben eliminar los sólidos de levadura y la mayor parte del agua. Después de la fermentación, el mosto se calienta para que el etanol se evapore. Este proceso, conocido como destilación, separa el etanol, pero su pureza está limitada al 95–96 % debido a la formación de un azeótropo de agua-etanol de bajo punto de ebullición con un máximo de (95,6 % m/m (96,5 % v/v) de etanol y 4,4 % m/m (3,5 % v/v) de agua). Esta mezcla se denomina 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 la gasolina, por lo que la fracción de agua generalmente se elimina en un tratamiento posterior para quemarla en combinación con la gasolina en los motores de gasolina..

Deshidración

Existen 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 agregar 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 al destilarse 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 agente de arrastre (benceno o ciclohexano), se despoja del agente de arrastre y se recicla a la alimentación, mientras que la fase más ligera, con el condensado de la extracción, 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.

Dado que se presta cada vez más atención al ahorro de energía, se han propuesto muchos métodos que evitan por completo la destilación para la 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 etanol combustible. En este proceso, el vapor de etanol bajo 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 mientras se excluye el etanol. Después de un período de tiempo, el lecho se regenera al vacío o en el flujo de una 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 3000 btus/galón (840 kJ/L) en comparación con la destilación azeotrópica anterior.

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

Problemas de agua en la 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 provoca que el motor se detenga), los contenedores de combustibles de etanol deben mantenerse herméticamente cerrados. Esta alta miscibilidad con el agua significa que el etanol no puede transportarse eficientemente a través de tuberías modernas, como los hidrocarburos líquidos, a largas distancias.

La fracción de agua que puede contener un combustible etanol-gasolina sin separación de fases aumenta con el porcentaje de etanol. Por ejemplo, E30 puede tener hasta un 2% de agua. Si hay más del 71% de etanol, el resto puede ser cualquier proporción de agua o gasolina y no se produce 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 poner 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 de 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 biodiesel 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 etanol y biodiésel en una sola máquina, mientras que el E-100 MicroFueler de E-Fuel Corporation está dedicado únicamente al etanol.

Motores

Economía de combustible

El etanol contiene aproximadamente un 34 % menos de energía por unidad de volumen que la gasolina y, por lo tanto, en teoría, quemar etanol puro en un vehículo reduce la autonomía por unidad de medida en un 34 %, con el mismo ahorro de combustible, en comparación con la quema de gasolina pura. Sin embargo, dado que el etanol tiene un octanaje más alto, el motor se puede hacer más eficiente aumentando su relación de compresión.

Para 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 (85% de etanol), el efecto se vuelve significativo. El E85 produce menos kilometraje que la gasolina y requiere recargas de combustible más frecuentes. El rendimiento real puede variar según el vehículo. Según las pruebas de la EPA para todos los modelos E85 de 2006, el consumo promedio de combustible de los vehículos E85 fue un 25,56 % más bajo que el de la gasolina sin plomo. El kilometraje clasificado por la EPA de los vehículos actuales de combustible flexible de los Estados Unidos debe tenerse en cuenta al hacer comparaciones de precios, pero el E85 es un combustible de alto rendimiento, con un octanaje de alrededor de 94–96, y debe compararse con el premium.El etanol no es adecuado para la mayoría de los aviones, según el RACQ, así como para algunas motos 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.

Las mezclas con alto contenido de etanol presentan un problema para lograr suficiente presión de vapor para que el combustible se evapore y provoque el encendido 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, resulta difícil arrancar un motor frío. Para evitar este problema a temperaturas por debajo de los 11 °C (52 °F) y para reducir las emisiones más altas de etanol durante el clima frío, los mercados de EE. UU. y Europa adoptaron el E85 como la mezcla máxima para usar en sus vehículos de combustible flexible y están optimizados para ejecutarse en tal 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 descienden 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 central y sur de Brasil, donde las temperaturas normalmente descienden 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

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

A partir del modelo del año 1999, un número cada vez mayor de vehículos en el mundo se fabrican con motores que pueden funcionar con cualquier combustible, desde 0 % 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 de hasta el 85 % (E85) en América del Norte y Europa, y hasta el 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 proporcionan 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 combustible-a-combustible para cualquier mezcla de combustible. En los modelos más nuevos, se han quitado los sensores de alcohol, con la computadora usando solo retroalimentación del sensor de oxígeno y flujo de aire para estimar el contenido de alcohol. La computadora de control del motor también puede ajustar (avanzar) el tiempo de encendido para lograr un mayor rendimiento sin preencendido cuando predice que hay porcentajes de alcohol más altos en el combustible que se está quemando. Este método está respaldado por sensores de detonación 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 el preencendido y la detonación.

En junio de 2021, India adelantó a 2025 su objetivo de implementar un combustible para automóviles con una mezcla de etanol al 20 %. La tasa de mezcla de etanol en el combustible de India (en el momento de esta revisión de objetivos) es del 8 %, que aumentará 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 Día) 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. 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 priorizando el lanzamiento de vehículos compatibles con combustible mezclado con etanol. A partir de marzo de 2021, los fabricantes de automóviles deben indicar 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 la producción de vehículos que cumplan con los requisitos de combustible mezclado 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 que requieren mucha agua, como la caña de azúcar y el arroz, y sugieren que el gobierno debería centrarse en reducir -Cultivos de intensidad hídrica 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 operando en Suecia. Se utilizan principalmente en autobuses urbanos, pero también en camiones de distribución y recolectores de basura. 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 diésel 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 aprovechar 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 de los híbridos eléctricos. La mejora consiste en el uso de inyección directa de combustible dual de alcohol puro (o el azeótropo o E85) y gasolina, en cualquier proporción hasta el 100% de cualquiera, en un motor turboalimentado, de alta relación de compresión, de pequeña cilindrada y con un rendimiento similar. a un motor que tenga el doble de cilindrada. Cada combustible se transporta por separado, con un tanque mucho más pequeño para el alcohol. El motor de alta compresión (para mayor eficiencia) funciona con gasolina ordinaria 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 "golpeteo", como cuando se acelera significativamente. La inyección directa al cilindro eleva el ya alto índice de octanaje del etanol hasta 130 efectivos. La reducción total calculada del uso de gasolina y CO₂ la emisión 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 provoca la separación de fases), los problemas de suministro de múltiples proporciones de mezcla y el arranque en climas fríos.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 hasta aproximadamente la de un diésel. Esto daría como resultado que la economía de combustible de un vehículo de etanol limpio sea casi igual a la de uno que quema gasolina.Pilas de combustible alimentadas por un reformador de etanol

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

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 reformar 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 la 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 etanol y agua en una proporción de 55:45. Nissan espera comercializar su tecnología para 2020.

Experiencia por país

Los principales productores de combustible de etanol del mundo en 2011 fueron Estados Unidos con 13,9 × 10 galones estadounidenses (5,3 × 10 litros; 1,16 × 10 galones imperiales) y Brasil con 5,6 × 10 galones estadounidenses (2,1 × 10 litros; 4,7 × 10 galones imperiales), que en conjunto representan el 87,1% de la producción mundial de 22,36 × 10 galones estadounidenses (8,46 × 10 litros; 1,862 × 10 galones imperiales).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 centroamericanos.

Producción anual de etanol combustible por país(2007–2011) Los 10 principales países/bloques regionales (millones de galones líquidos estadounidenses por año)
ranking 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	China	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

Ambiente

Balance de energía

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

† experimental, no en producción comercial

†† dependiendo del 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 entrada de energía en el proceso en comparación con la energía liberada al quemar el combustible de etanol resultante se conoce como balance de energía (o "energía devuelta sobre la energía invertida"). Cifras recopiladas en un informe de 2007 de National Geographicapuntan a resultados modestos para el etanol de maíz producido en los EE. UU.: se requiere una unidad de energía de combustibles fósiles 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 requerida para crear 8 a partir del etanol. Las estimaciones del balance de energía 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 de combustible. por cada unidad de energía gastada.Un estudio de 2006 de la Universidad de California en Berkeley, luego de analizar seis estudios separados, concluyó que producir etanol a partir del maíz usa mucho menos petróleo que producir gasolina.

El dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, se emite durante la fermentación y la combustión. Esto se compensa con la mayor absorción de dióxido de carbono por parte de las plantas a medida que crecen para producir biomasa. Cuando se produce por 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. Actualmente, el aditivo MTBE se está eliminando debido a la contaminación de las aguas subterráneas, 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 de macronutrientes como el amoníaco.

Un estudio realizado por científicos atmosféricos de la Universidad de Stanford descubrió 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 los problemas médicos como el asma.

Brasil quema cantidades significativas de biocombustible de etanol. Se realizaron estudios de cromatografía de gases del aire ambiente en São Paulo, Brasil, y se compararon con Osaka, Japón, que no quema combustible de etanol. El formaldehído atmosférico fue un 160 % más alto en Brasil y el acetaldehído fue un 260 % ​​más alto.

Dióxido de carbono

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 por el que 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

Tal cálculo puede o no considerar los siguientes efectos:

• El costo del cambio en el uso de la tierra del área donde se cultiva la materia prima para combustible.
• El coste del 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 debidos a la producción de subproductos útiles, como alimento para ganado o electricidad.

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

El artículo de Science de enero de 2006 del ERG de UC Berkeley estimó que la reducción del etanol de maíz en GEI es del 13% después de revisar una gran cantidad de estudios. En una corrección a ese artículo publicada poco después de la 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 % para el etanol de caña. El fabricante de automóviles Ford informa de 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 nuevos suelos, lo que produce una liberación única de GEI que puede llevar décadas o siglos de reducciones de emisiones de GEI en la producción para igualar. Como ejemplo, la conversión de tierras de pastos a la producción de maíz para etanol requiere alrededor de un siglo de ahorro anual para compensar los GEI liberados por la labranza inicial.

Cambio en el 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 en los EE. UU. Hay reclamos de que la tierra para la producción de etanol se adquiere a través de la deforestación, mientras que otros han observado que las áreas que actualmente albergan bosques generalmente no son adecuadas para el cultivo. En cualquier caso, la agricultura puede implicar una disminución de la fertilidad del suelo debido a la reducción de la materia orgánica, una disminución en la disponibilidad y calidad del agua, un aumento en el uso de pesticidas y fertilizantes y el posible desplazamiento de las comunidades locales.La nueva tecnología permite a los agricultores y procesadores producir cada vez más la misma producción 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 de alimentos y las necesidades de combustible. En lugar de utilizar solo los subproductos del almidón de la molienda de trigo y otros cultivos, la producción de etanol celulósico maximiza el uso de todos los materiales vegetales, incluido el gluten. Este enfoque tendría una huella de carbono más pequeña porque la cantidad de fertilizantes y fungicidas intensivos en energía sigue siendo la misma para una mayor producción de material utilizable. La tecnología para producir etanol celulósico se encuentra actualmente en etapa de comercialización.

Uso de biomasa para electricidad en lugar de etanol

La conversión de biomasa en electricidad para cargar vehículos eléctricos puede ser una opción de transporte más "amigable con el clima" que el uso de 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 avanzadas para vehículos.

Costos para la salud de las emisiones de etanol

Por cada mil millones de galones de combustible equivalentes a etanol producidos y quemados 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, según 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 factible 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 se mantengan altos, el uso económico de otras materias primas, como la celulosa, se vuelve viable. Los subproductos como la paja o las astillas de madera se pueden convertir en etanol. Las especies de crecimiento rápido, como el pasto varilla, se pueden cultivar en tierras que no son aptas para otros cultivos comerciales y producen altos niveles de etanol por unidad de área.

Cultivo	Rendimiento anual (litros/hectárea, galón estadounidense/acre)	Ahorro de gases de efecto invernaderofrente a gasolina [a]	resistencia al fríolímite de zona	Calientelímite de la zona de rusticidad	Comentarios
Caña de azúcar	6800–8000 L/ha,727–870 gal/acre	87%–96%	9	13	Hierba anual de temporada larga. Utilizado como materia prima para la mayor parte del bioetanol producido en Brasil. Las plantas de procesamiento más nuevas queman residuos que no se usan para producir etanol para generar electricidad. Crece sólo en climas tropicales y subtropicales.
miscanto	7300 L/ha,780 gal/acre	37%–73%	5	9	Césped perenne de bajos insumos. La producción de etanol depende del desarrollo de la tecnología celulósica.
pasto varilla	3100–7600 L/ha,330–810 gal/acre	37%–73%	5	9	Césped perenne de bajos insumos. La producción de etanol depende del desarrollo de la tecnología celulósica. Esfuerzos de mejoramiento en curso para aumentar los rendimientos. Es posible una mayor producción de biomasa con especies mixtas de pastos 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 bajos insumos. Posibilidad de producción de etanol utilizando la tecnología existente. Crece en climas tropicales y templados, pero las estimaciones más altas de rendimiento de etanol asumen cultivos múltiples por año (posible solo en climas tropicales). No se almacena bien.
Maíz	3100–4000 L/ha,330–424 gal/acre	10%–20%	4	8	Césped anual de alto aporte. Se utiliza como materia prima para la mayor parte del bioetanol producido en EE. UU. Solo los granos pueden procesarse utilizando la tecnología disponible; el desarrollo de tecnología celulósica comercial permitiría el uso de rastrojos y aumentaría la producción 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 haya cambios en el uso de la tierra (utilizando tierras de cultivo existentes).

Reducción de las importaciones y costos de petróleo.

Una de las razones dadas para la producción extensiva de etanol en los EE. UU. es su beneficio para la seguridad energética, al trasladar la necesidad de parte del 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 EE. UU. 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 derivados del petróleo al etanol produce un cambio neto de los combustibles extranjeros a los nacionales de los EE. UU. fuentes de energia.

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

Automovilismo

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

El campeonato de autos deportivos American Le Mans Series 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 cambiarlo.

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

El campeonato V8 Supercar de Australia 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 reemplazo para cocinar

Project Gaia es una organización no gubernamental estadounidense sin fines de lucro 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 alcohólicos 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 actualmente trabaja en Etiopía, Nigeria, Brasil, Haití y Madagascar, y se encuentra en la etapa de planificación de proyectos en varios otros países.

Investigar

La investigación del etanol se centra en fuentes alternativas, nuevos catalizadores y procesos de producción. INEOS produjo etanol a partir de material vegetal y residuos de madera. La bacteria E.coli, cuando se manipula genéticamente con genes y enzimas del rumen de vaca, puede producir etanol a partir de 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 (resumen breve y completo de la historia, la evolución y el futuro del etanol). Publicación de Prairie Oak, 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. 2008 Reunión Internacional Anual ASABE. Providencia, Rhode Island. Consultado el 16 de febrero de 2013.
• 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: Publicaciones Earthscan. ISBN 978-1-84407-422-8.