Combustible de metanol

combustible metanol es un biocombustible alternativo para motores de combustión interna y otros motores, ya sea en combinación con gasolina o de forma independiente. El metanol (CH₃OH) es menos costoso de producir de manera sostenible que el etanol, aunque produce efectos más tóxicos que el etanol y tiene una menor densidad energética que la gasolina. El metanol es más seguro para el medio ambiente que la gasolina, es un agente anticongelante, previene la acumulación de suciedad dentro del motor, tiene un punto de inflamación más alto en caso de incendio y produce caballos de fuerza equivalentes a los de la gasolina de muy alto octanaje. Se puede utilizar fácilmente en la mayoría de los motores modernos con un simple ajuste de configuración del software y, ocasionalmente, un cambio en un sello o línea de combustible económico. Para evitar el bloqueo de vapor en cualquier circunstancia posible por ser un combustible simple y puro, se puede incluir un pequeño porcentaje de otro combustible o ciertos aditivos. El metanol (un grupo metilo unido a un grupo hidroxilo) puede producirse a partir de combustibles fósiles o recursos renovables, en particular gas natural y carbón, o biomasa, respectivamente. En el caso de este último, se puede sintetizar a partir de CO₂ (dióxido de carbono) e hidrógeno. La gran mayoría del metanol producido a nivel mundial actualmente se elabora con gas y carbón. Sin embargo, los proyectos, las inversiones y la producción de metanol verde han aumentado de manera constante hasta 2023. Actualmente, los autos de carreras utilizan combustible de metanol en muchos países y ha experimentado una adopción cada vez mayor por parte de la industria marítima.

Historia y producción

Históricamente, el metanol se produjo por primera vez mediante destilación destructiva (pirólisis) de la madera, lo que dio lugar a su nombre común en inglés de alcohol de madera.

En la actualidad, el metanol se produce normalmente utilizando metano (el componente principal del gas natural) como materia prima. En China, el metanol se produce a partir del carbón.

El biometanol, también conocido como metanol verde, puede producirse mediante gasificación de materiales orgánicos a gas de síntesis seguido de la síntesis de metanol convencional. Esta ruta puede ofrecer producción renovable de metanol a partir de biomasa con eficiencias de hasta el 75%. La producción generalizada por esta ruta tiene el potencial propuesto de ofrecer combustible de metanol a bajo costo y con beneficios para el medio ambiente (consulte las referencias de Hagen, SABD y Olah a continuación). Cada vez más, el combustible de metanol se produce utilizando energía renovable y dióxido de carbono como materia prima. Carbon Recycling International, una empresa islandesa-estadounidense, completó la primera planta de metanol renovable a escala comercial en 2011. Desde 2018, Enerkem produce biometanol mediante la conversión y gasificación de residuos sólidos municipales en sus instalaciones de Edmonton. En julio de 2023, la construcción de la planta de reciclaje de carbono de Varennes, valorada en mil millones de dólares, que producirá biocombustibles como metanol a partir de desechos de madera y no reciclables, está completa en un 30 por ciento.

Consumo importante de combustible

Durante la crisis del petróleo de la OPEP de 1973, Reed y Lerner (1973) propusieron el metanol del carbón como un combustible probado con tecnología de fabricación bien establecida y recursos suficientes para reemplazar a la gasolina. Hagen (1976) revisó las perspectivas para la síntesis de metanol a partir de recursos fósiles y renovables, su uso como combustible, su economía y sus peligros. Luego, en 1986, la Swedish Motor Fuel Technology Co. (SBAD) revisó exhaustivamente el uso de alcoholes y mezclas de alcoholes como combustibles para motores. Examinó el potencial de producción de metanol a partir de gas natural, petróleos muy pesados, esquistos bituminosos, carbones, turba y biomasa. En 2005, el premio Nobel de 2006 George A. Olah, G. K. Surya Prakash y Alain Goeppert abogaron por una economía completa del metanol basada en el almacenamiento de energía en metanol producido sintéticamente. El Instituto del Metanol, la organización de la industria del comercio de metanol, publica informes y presentaciones sobre el metanol. El director Gregory Dolan presentó la industria mundial del combustible de metanol en China en 2008.

El 26 de enero de 2011, la Dirección General de Competencia de la Unión Europea aprobó la concesión de la Agencia Sueca de Energía de 500 millones de coronas suecas (aproximadamente 56 millones de euros en enero de 2011) para la construcción de una planta de biocombustibles de desarrollo experimental a escala industrial de 3 mil millones de coronas suecas (aproximadamente 335 millones de euros) para la producción de biometanol y BioDME en el complejo de biorrefinería Domsjö Fabriker en Örnsköldsvik, Suecia, utilizando la tecnología de gasificación de licor negro de Chemrec.

Usos

Combustible para motores de combustión interna

Tanto el metanol como el etanol se queman a temperaturas más bajas que la gasolina y ambos son menos volátiles, lo que dificulta el arranque del motor en climas fríos. El uso de metanol como combustible en motores de encendido por chispa puede ofrecer una mayor eficiencia térmica y una mayor producción de energía (en comparación con la gasolina) debido a su alto octanaje (114) y su alto calor de vaporización. Sin embargo, su bajo contenido de energía de 19,7 MJ/kg y su relación estequiométrica aire-combustible de 6,42:1 significan que el consumo de combustible (en términos de volumen o masa) será mayor que el de los combustibles de hidrocarburos. El agua extra producida también hace que la carga esté bastante húmeda (similar a los motores de combustión de hidrógeno/oxígeno) y con la formación de productos ácidos durante la combustión, el desgaste de válvulas, asientos de válvulas y cilindros puede ser mayor que con la quema de hidrocarburos. Se pueden agregar ciertos aditivos al combustible para neutralizar estos ácidos.

El metanol, al igual que el etanol, contiene contaminantes solubles e insolubles. Estos contaminantes solubles, los iones de haluro como los iones de cloruro, tienen un gran efecto sobre la corrosividad de los combustibles alcohólicos. Los iones de halogenuro aumentan la corrosión de dos maneras; atacan químicamente las películas de óxido pasivante de varios metales provocando corrosión por picaduras y aumentan la conductividad del combustible. Una mayor conductividad eléctrica promueve la corrosión eléctrica, galvánica y ordinaria en el sistema de combustible. Los contaminantes solubles, como el hidróxido de aluminio, que en sí mismo es un producto de la corrosión por iones de haluro, obstruyen el sistema de combustible con el tiempo.

El metanol es higroscópico, lo que significa que absorberá vapor de agua directamente de la atmósfera. Debido a que el agua absorbida diluye el valor del combustible del metanol (aunque suprime la detonación del motor) y puede causar la separación de fases de las mezclas de metanol y gasolina, los contenedores de combustibles de metanol deben mantenerse herméticamente cerrados.

En comparación con la gasolina, el metanol es más tolerante a la recirculación de gases de escape (EGR), lo que mejora la eficiencia del combustible de los motores de combustión interna que utilizan el ciclo Otto y el encendido por chispa.

Un ácido, aunque débil, el metanol ataca la capa de óxido que normalmente protege el aluminio de la corrosión:

6 CH₃OH + Al₂O₃ → 2 Al(OCH)₃)₃ + 3 H₂O

Las sales de metóxido resultantes son solubles en metanol, lo que da como resultado una superficie de aluminio limpia, que se oxida fácilmente con el oxígeno disuelto. Además, el metanol puede actuar como oxidante:

6 CH₃OH + 2 Al → 2 Al(OCH)₃)₃ + 3 H₂

Este proceso recíproco alimenta efectivamente la corrosión hasta que el metal se corroe o la concentración de CH₃OH es insignificante. La corrosividad del metanol se ha abordado con materiales compatibles con el metanol y aditivos para combustible que sirven como inhibidores de la corrosión.

El metanol orgánico, producido a partir de madera u otros materiales orgánicos (bioalcohol), se ha sugerido como una alternativa renovable a los hidrocarburos derivados del petróleo. Se pueden utilizar niveles bajos de metanol en los vehículos existentes con la adición de cosolventes e inhibidores de corrosión.

Carreras

La regla exige que el metanol puro se utilice en Champcars, Monster Trucks, autos de velocidad de la USAC (así como enanos, modificados, etc.) y otras series de pistas de tierra, como World of Outlaws y Motorcycle Speedway, principalmente porque, en caso de accidente, el metanol no produce una nube de humo opaca. Desde finales de la década de 1940, el metanol también se utiliza como ingrediente principal del combustible en los motores de radiocontrol, líneas de control y modelos de aviones de vuelo libre (ver más abajo), automóviles y camiones; Estos motores utilizan una bujía incandescente de filamento de platino que enciende el vapor de metanol mediante una reacción catalítica. Los vehículos de carreras de arrastre, los de barro y los tractores muy modificados también utilizan metanol como principal fuente de combustible. Se requiere metanol con un motor sobrealimentado en un Top Alcohol Dragster y, hasta el final de la temporada 2006, todos los vehículos en las 500 Millas de Indianápolis tenían que funcionar con metanol. Como combustible para corredores de barro, el metanol mezclado con gasolina y óxido nitroso produce más potencia que la gasolina y el óxido nitroso solos.

A partir de 1965, el metanol puro se utilizó ampliamente en las competiciones automovilísticas de la USAC Indy, que en ese momento incluían las 500 Millas de Indianápolis.

La seguridad fue la influencia predominante para la adopción del combustible de metanol en las categorías de carreras de monoplazas de Estados Unidos. A diferencia de los incendios de petróleo, los incendios de metanol se pueden extinguir con agua corriente. Un fuego a base de metanol arde de forma invisible, a diferencia de la gasolina, que arde con una llama visible. Si se produce un incendio en la pista, no hay llamas ni humo que obstruyan la vista de los conductores que se acercan rápidamente, pero esto también puede retrasar la detección visual del incendio y el inicio de la extinción del mismo. Un accidente de siete autos en la segunda vuelta de las 500 Millas de Indianápolis de 1964 resultó en la decisión de la USAC de alentar, y luego exigir, el uso de metanol. Eddie Sachs y Dave MacDonald murieron en el accidente cuando explotaron sus autos que funcionaban con gasolina. El incendio provocado por gasolina creó una peligrosa nube de espeso humo negro que bloqueó por completo la vista de la pista para los autos que venían en sentido contrario. Johnny Rutherford, uno de los otros conductores involucrados, conducía un automóvil que funcionaba con metanol, que también tuvo una fuga después del accidente. Si bien este automóvil ardió por el impacto de la primera bola de fuego, formó un infierno mucho más pequeño que los autos de gasolina y que ardía de manera invisible. Ese testimonio, y la presión del escritor del The Indianapolis Star, George Moore, llevaron al cambio al alcohol como combustible en 1965.

El circuito CART utilizó metanol durante toda su campaña (1979-2007). También lo utilizan muchas organizaciones de pistas cortas, especialmente los enanos, los autos de velocidad y las bicicletas de carreras. La IRL utilizó metanol puro de 1996 a 2006.

En 2006, en asociación con la industria del etanol, el IRL utilizó una mezcla de 10% de etanol y 90% de metanol como combustible. A partir de 2007, la IRL cambió a la tecnología "pura" etanol, E100.

El combustible de metanol también se usa ampliamente en las carreras de resistencia, principalmente en la categoría Top Alcohol, mientras que en las clases Top Fuel se puede usar entre 10 % y 20 % de metanol, además del nitrometano.

Las carreras de Fórmula Uno siguen utilizando gasolina como combustible, pero en los grandes premios de antes de la guerra se utilizaba a menudo metanol como combustible.

Transporte marítimo

En 2020, la Organización Marítima Internacional adoptó la MSC.1/Circular.1621 que codifica el uso y las disposiciones adecuadas para el metanol como combustible, en respuesta a su creciente uso en las industrias marítima y naviera. A partir de 2023, actores clave de la industria, incluidos Maersk, COSCO Shipping y CMA CGM, han encargado aproximadamente 100 barcos que queman metanol. La mayoría de estos barcos contienen motores de combustible dual, lo que significa que son capaces de quemar tanto combustible búnker como metanol.

Los desafíos actuales que enfrenta el metanol como combustible rodean el costo, la disponibilidad y las regulaciones de emisiones. Adaptar una barcaza petrolera a metanol puede costar aproximadamente 1,6 millones de dólares. Además, el metanol fósil aumenta el ciclo de vida total de GEI y las emisiones a través del proceso de producción. La gran mayoría de la producción mundial de metanol es de origen fósil, que se produce utilizando gas y carbón. La disponibilidad de metanol verde (que se produce a través de recursos de carbono cero o negativo, como la biomasa) es actualmente limitada y casi duplica el precio del combustible búnker. Sin embargo, se ha dicho que acelerar la producción de metanol renovable no es un desafío global significativo, y muchos en la industria especulan que la producción podría crecer naturalmente a medida que se sigan realizando pedidos de buques de metanol. En 2023, el gigante naviero Maersk firmó acuerdos con productores privados de metanol verde en varios países para cumplir con el millón de toneladas necesarias para hacer funcionar los 19 barcos encargados.

Combustible para motores de modelos

Los primeros motores modelo para aviones modelo de vuelo libre fluyen antes del final de la Segunda Guerra Mundial utilizaron una mezcla de gas blanco y aceite de motor de viscosidad pesada para los motores de encendido de chispa de dos tiempos utilizados para el hobby en ese momento. En 1948, la nueva innovación de los motores de los modelos de enchufes radiantes comenzó a hacerse cargo del mercado, exigiendo el uso de combustible de metanol para reaccionar en una reacción catalítica con el filamento de platino coilado en un enchufe radiante para que el motor funcionara, generalmente utilizando un lubricante basado en aceite de ruedas contenido en la mezcla de combustible alrededor de una relación 4:1. La variedad de motores modelo de encendido por el resplandor, ya que ya no requería una batería a bordo, bobina de encendido, puntos de encendido y condensador que un motor modelo de encendido de chispa requería, ahorraba peso valioso y permitía que los aviones modelo tuvieran un mejor rendimiento de vuelo. En sus formas tradicionalmente populares de dos tiempos y cada vez más populares de cuatro tiempos, actualmente producidos motores de brillo de un cilindro de metanol son la opción habitual para aeronaves controladas por radio para uso recreativo, para tamaños de motores que pueden variar de 0,8 cm³ (0.049 cu.in.) a tan grande como 25 a 32 cm³ (1.5-2.0 cu.in) desplazamiento, y desplazamientos significativamente mayores para motores de aviones dobles y multi cilindros opuestos y modelo de configuración radial, muchos de los cuales son de configuración de cuatro tiempos. La mayoría de los motores de modelos alimentados con metanol, especialmente los fabricados fuera de América del Norte, pueden funcionar fácilmente con el llamado combustible de metanol de especificación de FAI. Tales mezclas de combustible pueden ser requeridas por la FAI para ciertos eventos en la llamada competencia internacional FAI "Class F", que prohíben el uso de nitrometano como un componente de combustible para motores de resplandor. Por el contrario, las empresas de América del Norte que fabrican motores de modelos a base de metanol, o que se basan fuera de ese continente y tienen un mercado importante en América del Norte para tales centrales eléctricas en miniatura, tienden a producir motores que pueden y a menudo funcionan mejor con cierto porcentaje de nitrometano en el combustible, que cuando se utiliza puede ser tan poco como 5% a 10% de volumen, y puede ser hasta 25 a 30% del volumen total de combustible.

Cocinar

El metanol se utiliza como combustible para cocinar en China y su uso en la India está creciendo. Su estufa y su recipiente no necesitan reguladores ni tuberías.

Células de combustible

El metanol se utiliza como combustible en las pilas de combustible. Normalmente se utiliza una pila de combustible de metanol reformada (RMFC) o una pila de combustible de metanol directo (DMFC). Las aplicaciones móviles y estacionarias son típicas de las pilas de combustible de metanol, como la generación de energía de respaldo, la generación de plantas de energía, el suministro de energía de emergencia, la unidad de energía auxiliar (APU) y la extensión del alcance de las baterías (vehículos eléctricos, barcos).

Toxicity

El metanol se encuentra naturalmente en el cuerpo humano, pero es venenoso en altas concentraciones. El cuerpo humano es capaz de metabolizar y manejar pequeñas cantidades de metanol de manera segura, como las de ciertos edulcorantes artificiales o frutas, lo que produce temporalmente subproductos tóxicos en el torrente sanguíneo como el ácido fórmico antes de su excreción, mientras que no puede metabolizar de manera segura hidrocarburos más complejos. como gasolina. Sin embargo, la ingestión de 10 ml puede provocar ceguera y 60 a 100 ml pueden ser mortales si la afección no se trata. Como muchas sustancias químicas volátiles, incluidos el etanol y la gasolina, el metanol puede dañar la piel, los ojos y los pulmones si se expone a cantidades sustanciales. Las personas expuestas crónicamente a cantidades tan grandes corren el riesgo de desarrollar efectos sistémicos a largo plazo para la salud similares a la intoxicación por metanol de baja calidad si no se tratan.

La exposición máxima permitida en el aire en EE. UU. (40 h/semana) es de 1900 mg/m³ para etanol, 900 mg/m³ para gasolina y 1260 mg/ m³ para metanol. Sin embargo, es mucho menos volátil que la gasolina y, por lo tanto, tiene menores emisiones de evaporación, lo que produce un menor riesgo de exposición a un derrame equivalente. Si bien el metanol ofrece vías de exposición a la toxicidad algo diferentes, la toxicidad efectiva no es peor que la del benceno o la gasolina, y la intoxicación por metanol es mucho más fácil de tratar con éxito. Una preocupación sustancial es que la intoxicación por metanol generalmente debe tratarse mientras aún es asintomática para una recuperación completa.

El riesgo de inhalación se mitiga mediante un olor acre característico. En concentraciones superiores a 2000 ppm (0,2%), generalmente es bastante perceptible; sin embargo, concentraciones más bajas pueden pasar desapercibidas y, al mismo tiempo, seguir siendo potencialmente tóxicas en exposiciones más prolongadas y aún pueden presentar un riesgo de incendio o explosión. Nuevamente, esto es similar a la gasolina y el etanol; Existen protocolos de seguridad estándar para el metanol y son muy similares a los de la gasolina y el etanol.

El uso de combustible de metanol reduce las emisiones de escape de ciertas toxinas relacionadas con los hidrocarburos, como el benceno y el 1,3 butadieno, y reduce drásticamente la contaminación a largo plazo de las aguas subterráneas causada por los derrames de combustible. A diferencia de los combustibles de la familia del benceno, el metanol se biodegradará rápida y no tóxicamente sin dañar el medio ambiente a largo plazo, siempre que esté suficientemente diluido.

Seguridad contra incendios

El metanol es mucho más difícil de encender que la gasolina y arde aproximadamente un 60% más lento. Un incendio de metanol libera energía a aproximadamente el 20% de la velocidad de un incendio de gasolina, lo que resulta en una llama mucho más fría. Esto da como resultado un incendio mucho menos peligroso y más fácil de contener con los protocolos adecuados. A diferencia de los incendios de gasolina, el agua es aceptable e incluso preferida como extintor de incendios para incendios de metanol, ya que enfría el fuego y diluye rápidamente el combustible por debajo de la concentración en la que mantendrá la autoinflamabilidad. Estos hechos significan que, como combustible para vehículos, el metanol tiene grandes ventajas de seguridad sobre la gasolina. El etanol comparte muchas de estas mismas ventajas.

Puesto que el vapor de metanol es más pesado que el aire, se enciende cerca del suelo o en un pozo a menos que haya buena ventilación, y si la concentración de metanol es superior al 6,7% en el aire se puede iluminar por una chispa y explotará por encima de 54 F / 12 C. Una vez ablandecido, un fuego de metanol sin diluir da poca luz visible, haciendo potencialmente muy difícil de ver el fuego o incluso grande El etanol, el gas natural, el hidrógeno y otros combustibles existentes ofrecen problemas similares de seguridad contra incendios, y existen protocolos estándar de seguridad y lucha contra incendios para todos esos combustibles.

La mitigación del daño ambiental posterior a un accidente se ve facilitada por el hecho de que el metanol en baja concentración es biodegradable, de baja toxicidad y no persistente en el medio ambiente. La limpieza posterior a un incendio a menudo simplemente requiere grandes cantidades adicionales de agua para diluir el metanol derramado, seguido de aspiración o recuperación por absorción del fluido. Cualquier metanol que inevitablemente escape al medio ambiente tendrá poco impacto a largo plazo y, con una dilución suficiente, se biodegradará rápidamente con poco o ningún daño ambiental debido a la toxicidad. Un derrame de metanol que se combina con un derrame de gasolina existente puede hacer que el derrame de mezcla de metanol/gasolina persista entre un 30 % y un 35 % más de lo que lo habría hecho la gasolina sola.

Usar

En 2019, se utilizaron casi 100 millones de toneladas de metanol, principalmente para productos químicos.

Estados Unidos

El estado de California ejecutó un programa experimental de 1980 a 1990 que permitía a cualquier persona convertir un vehículo de gasolina en un 85 % de metanol con un 15 % de aditivos de su elección. Más de 500 vehículos se convirtieron a alta compresión y se utilizaron exclusivamente metanol y etanol 85/15.

En 1982, los tres grandes recibieron cada uno 5.000.000 de dólares para el diseño y contratos para la compra de 5.000 vehículos por parte del Estado. Fue uno de los primeros usos de vehículos de combustible flexible de baja compresión.

En 2005, el gobernador de California, Arnold Schwarzenegger, detuvo el uso de metanol para sumarse al creciente uso de etanol impulsado por los productores de maíz. En 2007, el precio del etanol era de 3 a 4 dólares por galón (0,8 a 1,05 dólares por litro) en el surtidor, mientras que el metanol elaborado a partir de gas natural se mantiene a 47 centavos por galón (12,5 centavos por litro) a granel, no en el surtidor.

Actualmente no hay gasolineras operativas en California que suministren metanol en sus surtidores. El representante Eliot Engel [D-NY17] ha introducido "Un estándar abierto de combustible" Ley en el Congreso: "Exigir a los fabricantes de automóviles que garanticen que no menos del 80 por ciento de los automóviles fabricados o vendidos en los Estados Unidos por cada uno de ellos funcionen con mezclas de combustible que contengan 85 por ciento de etanol, 85 por ciento de metanol o biodiesel.."

Unión Europea

La Directiva sobre calidad del combustible modificada adoptada en 2009 permite una mezcla de hasta un 3 % v/v de metanol en la gasolina.

Brasil

Una campaña para agregar un porcentaje apreciable de metanol a la gasolina estuvo muy cerca de implementarse en Brasil, luego de una prueba piloto establecida por un grupo de científicos que involucraba mezclar gasolina con metanol entre 1989 y 1992. El experimento piloto a mayor escala que iba a realizarse en São Paulo fue vetado en el último momento por el alcalde de la ciudad, por preocupación por la salud de los trabajadores de las gasolineras, de quienes no se esperaba que siguieran las precauciones de seguridad. En 2006, la idea no ha resurgido.

India

Niti Aayog, el instituto central de planificación de la India, anunció el 3 de agosto de 2018 que, si es posible, los vehículos de pasajeros funcionarán con gasolina mezclada con un 15% de metanol. En la actualidad, los vehículos en la India utilizan hasta un 10% de combustible mezclado con etanol. Si el gobierno lo aprueba, reducirá los costos mensuales de combustible en un 10%. En 2021, el etanol costará 60 rupias el litro, mientras que el precio del metanol se estima en menos de 25 rupias el litro.