Combustible etanol

El combustible de etanol es alcohol etílico, el mismo tipo de alcohol que se encuentra en las bebidas alcohólicas, utilizado como combustible. Se usa con más frecuencia como combustible para motores, principalmente como un aditivo de biocombustible para gasolina. El primer automóvil de producción que funcionó completamente con etanol fue el Fiat 147, introducido en 1978 en Brasil por Fiat. El etanol se hace 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 × 109 litros (4.5 × 109 US gal; 3.7 × 109 imp gal) a más de 52 × 109 litros (1.4 × 1010 US gal; 1.1 × 1010 imp gal). De 2007 a 2008, la proporción de etanol en el uso de combustible de tipo de gasolina global aumentó de 3.7% a 5.4%. En 2011, la producción mundial de etanol fue de 8.46 × 1010 litros (2.23 × 1010 gal US; 1.86 × 1010 imp gal) con los Estados Unidos de América y Brasil como los principales productores, representando el 62.2% y el 25% de la producción mundial, respectivamente. La producción de etanol en los Estados Unidos alcanzó 57.54 × 109 litros (1.520 × 1010 gal US; 1.266 × 1010 imp gal) en 2017-04.

El combustible de etanol tiene un valor de “equivalencia en galones de gasolina” (GGE) de 1.5, es decir, para reemplazar la energía de 1 volumen de gasolina, se necesita 1.5 veces el volumen de etanol.

El combustible mezclado con etanol se usa ampliamente en Brasil, Estados Unidos y Europa (véase también el combustible de etanol por país). La mayoría de los autos que circulan hoy en los Estados Unidos pueden funcionar con mezclas de hasta un 10% de etanol, y el etanol representó el 10% del suministro de combustible de gasolina de los EE. UU. Derivado de fuentes nacionales en 2011. Además, muchos automóviles actuales son vehículos de combustible flexible capaces de Utilizar combustible etanol 100%.

Desde 1976, el gobierno brasileño ha obligado a mezclar etanol con gasolina, y desde 2007 la mezcla legal es de alrededor de 25% de etanol y 75% de gasolina (E25). Para diciembre de 2011, Brasil tenía una flota de 14.8 millones de automóviles y camionetas de combustible flexible y 1.5 millones de motocicletas de combustible flexible que regularmente usan combustible puro de etanol (conocido como E100).

El bioetanol es una forma de energía renovable que puede producirse a partir de materias primas agrícolas. Puede hacerse a partir de cultivos muy comunes como el cáñamo, la caña de azúcar, la papa, la yuca y el maíz. Ha habido un considerable debate sobre la utilidad del bioetanol para reemplazar la gasolina. Las preocupaciones sobre su producción y uso se relacionan con el aumento de los precios de los alimentos debido a la gran cantidad de tierra cultivable requerida para los cultivos, así como al balance energético y de contaminación de todo el ciclo de producción de etanol, especialmente del maíz. Los recientes desarrollos con la producción y comercialización de etanol celulósico pueden disipar algunas de estas preocupaciones.

El etanol celulósico es prometedor porque las fibras de celulosa, un componente importante y universal en las paredes celulares de las plantas, pueden usarse para producir etanol. Según la Agencia Internacional de Energía, el etanol celulósico podría permitir que los combustibles de etanol desempeñen un papel mucho más importante en el futuro.

Química
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.

6 H 12 O 6 → 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + calor
La fermentación del etanol no es 100% selectiva con productos secundarios como el ácido acético y los glicoles. En su mayoría se eliminan durante la purificación de etanol. La fermentación tiene lugar en una solución acuosa. La solución resultante tiene un contenido de etanol de alrededor del 15%.Posteriormente, el etanol se aísla y se purifica mediante una combinación de adsorción y destilación.

Durante la combustión, el etanol reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono, agua y calor:

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 tratamiento previo que divide la celulosa en moléculas de glucosa y otros azúcares que posteriormente pueden fermentarse. El producto resultante se llama etanol celulósico, indicando su fuente.

El etanol también se produce industrialmente a partir de etileno por hidratación del doble enlace en presencia de un catalizador y alta temperatura.

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 fue en realidad un producto del petróleo. Se realiza mediante la hidratación catalítica del etileno con ácido sulfúrico como catalizador. También se puede obtener a través de etileno o acetileno, a partir de carburo de calcio, carbón, gasóleo 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 plantas en los Estados Unidos, Europa y Sudáfrica. El etanol derivado del petróleo (etanol sintético) es químicamente idéntico al bioetanol y se puede diferenciar solo por la datación por radiocarbono.

El bioetanol generalmente se obtiene a partir 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 tales como la caña de azúcar, el bagazo, el miscanthus, la remolacha azucarera, el sorgo, el grano, el pasto, la cebada, el cáñamo, el kenaf, las papas, la batata, la mandioca, el girasol, la fruta, la melaza, el maíz, Granos, trigo, paja, algodón, otras biomasas, así como muchos tipos de residuos de celulosa y recolección, cualquiera que tenga la mejor evaluación de pozo a rueda.

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

Actualmente, los procesos de la primera generación para la producción de etanol a partir del maíz utilizan solo una pequeña parte de la planta de maíz: los granos de maíz se toman de la planta de maíz y solo el almidón, que representa aproximadamente el 50% de la masa del grano seco, se transforma en etanol. Dos tipos de procesos de segunda generación están en desarrollo. El primer tipo utiliza enzimas y la 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 un bio-aceite líquido o un gas de síntesis. Los procesos de segunda generación también se pueden utilizar con plantas como pastos, madera o residuos agrícolas, como paja.

Producción
Aunque hay varias formas de producir etanol, la forma más común es a través de la fermentación.

Los pasos básicos para la producción a gran escala de etanol son: fermentación microbiana (levadura) de azúcares, destilación, deshidratación (los requisitos varían, consulte las mezclas de etanol combustibles, 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 celulosa se llama celulolisis (ver etanol celulósico). Las enzimas se utilizan para convertir el almidón en azúcar.

Fermentación
El etanol es producido por la fermentación microbiana del azúcar. La fermentación microbiana actualmente solo trabaja directamente con azúcares. Dos componentes principales de las plantas, el almidón y la celulosa, están hechos de azúcares y, en principio, pueden convertirse en azúcares para la fermentación. Actualmente, solo las porciones de azúcar (por ejemplo, caña de azúcar) y almidón (por ejemplo, maíz) pueden convertirse económicamente. Hay mucha actividad en el área del etanol celulósico, donde la parte de celulosa de una planta se descompone en azúcares y luego se convierte en etanol.

Destilación
Para que el etanol sea utilizable como combustible, deben eliminarse los sólidos de levadura y la mayor parte del agua. Después de la fermentación, la mezcla se calienta para que el etanol se evapore. Este proceso, conocido como destilación, separa el etanol, pero su pureza se limita al 95-96% debido a la formación de un azeótropo de etanol con agua de bajo punto de ebullición con un máximo de etanol (95.6% m / m (96.5% v / v) y 4.4% m / m (3.5% v / v) de agua). Esta mezcla se llama etanol hidratado y se puede usar como combustible solo, pero a diferencia del etanol anhidro, el etanol hidratado no es miscible en todas las proporciones con gasolina, por lo que la fracción de agua se elimina típicamente en un tratamiento adicional para quemar en combinación con gasolina en motores de gasolina .

Deshidración
Hay tres procesos de deshidratación para eliminar el agua de una mezcla azeotrópica de etanol / agua. El primer proceso, utilizado en muchas plantas de etanol de combustible temprano, 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, que cuando se destila produce etanol anhidro en la parte inferior de la columna y una mezcla de vapor de agua, etanol y ciclohexano / benceno.

Cuando se condensa, esto se convierte en una mezcla líquida de dos fases. La fase más pesada, pobre en el agente de arrastre (benceno o ciclohexano), se elimina 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 la mezcla ternaria se destila, produce etanol anhidro en la corriente superior de la columna.

Al prestarse cada vez más atención al ahorro de energía, se han propuesto muchos métodos que evitan la destilación por completo para la deshidratación. De estos métodos, un tercer método ha surgido 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 a presión pasa a través de un lecho de cuentas de tamiz molecular. Los poros de las perlas están dimensionados para permitir la adsorción de agua y excluyen el etanol. Después de un período de tiempo, el lecho se regenera al vacío o en el flujo de atmósfera inerte (por ejemplo, N2) para eliminar el agua adsorbida. A menudo se usan dos camas para que una esté disponible para adsorber el agua mientras que la otra se está regenerando. Esta tecnología de deshidratación puede representar un ahorro de energía de 3,000 btus / galón (840 kJ / L) en comparación con la destilación azeotrópica anterior.

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

Problemas de agua en postproducción.
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 del combustible del etanol y puede causar la separación de fases de las mezclas de etanol y gasolina (lo que causa el bloqueo del motor), los contenedores de etanol combustibles deben mantenerse herméticamente cerrados. Esta alta miscibilidad con el agua significa que el etanol no se puede enviar de manera eficiente a través de tuberías modernas, como los hidrocarburos líquidos, a largas distancias.

La fracción de agua que puede contener un etanol-gasolina combustible sin separación de fase aumenta con el porcentaje de etanol. Por ejemplo, E30 puede tener hasta aproximadamente un 2% de agua. Si hay más de aproximadamente un 71% de etanol, el resto puede ser cualquier proporción de agua o gasolina y no se produce la separación de fases. El consumo de combustible disminuye con un mayor contenido de agua. La mayor solubilidad del agua con mayor contenido de etanol permite que E30 y el etanol hidratado se coloquen en el mismo tanque, ya que cualquier combinación de ellos siempre da como resultado una sola fase. Se tolera un poco menos de agua a temperaturas más bajas. Para E10 es aproximadamente 0.5% v / v a 21 ° C y disminuye a aproximadamente 0.23% v / v a -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 atrás en el mercado. En 2008, dos compañías diferentes anunciaron sistemas de producción de etanol a escala doméstica. El sistema de combustible avanzado AFS125 de Allard Research and Development es capaz de producir tanto etanol como biodiesel en una máquina, mientras que el E-100 MicroFueler de E-Fuel Corporation se dedica solo al etanol.

Los motores

Economía de combustible
El etanol contiene aprox. 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 las millas por galón en EE. UU. En un 34%, dado el mismo consumo de combustible, en comparación con quemar gasolina pura. Sin embargo, dado que el etanol tiene un octanaje más alto, el motor puede hacerse más eficiente al aumentar su relación de compresión. Con una geometría variable o un turbocompresor de doble desplazamiento, la relación de compresión se puede optimizar para el combustible, haciendo que la economía de combustible sea casi constante para cualquier mezcla.

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. E85 produce menos kilometraje que la gasolina, y requiere reabastecimiento de combustible más frecuente. El rendimiento real puede variar dependiendo del vehículo. Según las pruebas de la EPA para todos los modelos E85 2006, la economía de combustible promedio para los vehículos E85 fue 25.56% más baja que la gasolina sin plomo. El kilometraje calificado por la EPA de los actuales vehículos de combustible flexible de los Estados Unidos debe considerarse al hacer comparaciones de precios, pero el E85 es un combustible de alto rendimiento, con un índice de octano de aproximadamente 94 a 96, y debe compararse con la prima.

Arranque en frío durante el invierno.
Las mezclas con alto contenido de etanol presentan un problema para lograr una presión de vapor suficiente 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, es difícil arrancar un motor frío. Para evitar este problema a temperaturas por debajo de 11 ° C (52 ° F), y para reducir las emisiones más altas de etanol durante el clima frío, tanto los mercados de EE. UU. Como los europeos adoptaron el E85 como la mezcla máxima que se utilizará en sus vehículos de combustible flexible, y están optimizados 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 los lugares donde las temperaturas caen por debajo de −12 ° C (10 ° F) durante el invierno, se recomienda instalar un sistema de calefacción del motor, tanto para gasolina como para 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.

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 flex brasileños se construyen 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 del sur y centro de Brasil, donde las temperaturas normalmente caen por debajo de 15 ° C (59 ° F) durante el invierno.En 2009 se lanzó una generación de motores flexibles mejorada 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 están obligados a funcionar con mezclas de etanol. Todos los vehículos ligeros brasileños están diseñados para operar con una mezcla de etanol de hasta el 25% (E25), y desde 1993 una ley federal requiere mezclas entre el 22% y el 25% de etanol, con un 25% requerido a mediados de julio de 2011. En los Estados Unidos, todos los vehículos ligeros están diseñados para funcionar 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 Estados Unidos se mezclaba con etanol.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% del etanol mezclado con gasolina (E15) que se venderá solo para automóviles y camionetas ligeras con un año modelo 2001 o más reciente.

A partir del modelo del año 1999, un número creciente de vehículos en el mundo se fabrican con motores que pueden funcionar con cualquier combustible, desde 0% de etanol hasta 100% de etanol sin modificaciones. Muchos autos y camionetas (una clase que contiene minivans, SUV y camionetas) están diseñados para ser vehículos de combustible flexible que utilizan mezclas de etanol hasta 85% (E85) en América del Norte y Europa, y hasta 100% (E100) en Brasil . En los años de modelos más antiguos, sus sistemas de motor contenían sensores de alcohol en los sensores de combustible y / o 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 o oxígeno libre en el escape) relación combustible / combustible para cualquier mezcla de combustible. En los modelos más nuevos, los sensores de alcohol se han eliminado, y la computadora utiliza solo la retroalimentación del sensor de flujo de aire y oxígeno para calcular el contenido de alcohol. La computadora de control del motor también puede ajustar (avanzar) el tiempo de encendido para lograr una salida más alta sin preencendido cuando predice que hay más porcentajes de alcohol 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 la pre-ignición y la detonación.

Otras configuraciones de motor

Motores ED95
Desde 1989, también ha habido motores de etanol basados ​​en el principio del diesel que funcionan en Suecia. Se utilizan principalmente en autobuses urbanos, pero también en camiones de distribución y recolectores de residuos. Los motores, fabricados por Scania, tienen una relación de compresión modificada, y el combustible (conocido como ED95) es una mezcla de 93.6% de etanol y 3.6% de mejorador de ignición, y 2.8% de desnaturalizantes. El mejorador de encendido hace posible que el combustible se encienda en el ciclo de combustión del diesel. También es posible utilizar la eficiencia energética del principio del diesel con etanol. Reading Buses ha utilizado estos motores en el Reino Unido, pero ahora se está eliminando gradualmente el uso de combustible de bioetanol.

Inyección directa de doble combustible
Un estudio del MIT de 2004 y un artículo anterior publicado por la Society of Automotive Engineers identificaron un método para explotar las características del etanol combustible de manera sustancialmente más eficiente que mezclarlo con gasolina. El método presenta la posibilidad de aprovechar el uso del alcohol para lograr una mejora definitiva sobre la rentabilidad de la electricidad híbrida. La mejora consiste en utilizar inyección directa de combustible puro 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 y de pequeño desplazamiento que tenga un rendimiento similar a un motor que tenga el doble de desplazamiento. 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 “golpe”, como cuando se acelera significativamente. La inyección directa en el cilindro eleva el índice de alto octanaje del etanol hasta 130 efectivos. La reducción total calculada del uso de gasolina y la emisión de CO2 es del 30%. El tiempo de recuperación del costo del consumidor muestra una mejora de 4: 1 sobre el turbo-diesel y una mejora de 5: 1 sobre el híbrido. También se evitan los problemas de la absorción de agua en la gasolina premezclada (que causa la separación de fase), los problemas de suministro de múltiples proporciones de mezcla y el arranque en clima frío.

Mayor eficiencia térmica
En un estudio de 2008, los controles complejos del motor y el aumento de la recirculación de los gases de escape permitieron una relación de compresión de 19,5 con combustibles que iban desde el etanol puro hasta el E50. Se logró una eficiencia térmica de aproximadamente hasta un diesel.Esto daría como resultado que la economía de combustible de un vehículo limpio de etanol sea aproximadamente igual a la de una gasolina en combustión.

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

Ambiente

Balance de energía
Toda la biomasa pasa por al menos algunos de estos pasos: necesita ser cultivada, recolectada, secada, fermentada, destilada y quemada. Todos estos pasos requieren recursos y una 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 con la energía invertida”). Las cifras compiladas en un informe de 2007 de National Geographic Magazine señalan resultados modestos para el etanol de maíz producido en los Estados Unidos: 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 combustible fósil 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 por separado informa que la producción de etanol a partir de la caña de azúcar, que requiere un clima tropical para crecer productivamente, devuelve de 8 a 9 unidades de energía por cada unidad gastada, en comparación con el maíz, que solo devuelve alrededor de 1,34 unidades de energía combustible. Por cada unidad de energía gastada. Un estudio de 2006 de la Universidad de California en Berkeley, después de analizar seis estudios separados, concluyó que la producción de etanol a partir de maíz utiliza mucho menos petróleo que la producción de gasolina.

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

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

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

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 cual se produce el etanol y las suposiciones que se hacen en el cálculo. Un cálculo debe incluir:

El costo de crecer la materia prima
El costo del transporte de la materia prima a la fábrica.
El costo de procesar la materia prima en bioetanol

Dicho 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 de 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 se deben a la producción de bi-productos útiles, como la alimentación del ganado o la electricidad.

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

Una complicación adicional es que la producción requiere labranza en un suelo nuevo, lo que produce una liberación única de GEI que puede llevar décadas o siglos de reducción de la producción en emisiones de GEI para igualar. Como ejemplo, la conversión de las tierras de pastos en la producción de maíz para el etanol requiere alrededor de un siglo de ahorro anual para compensar los GEI liberados de la labranza inicial.

Cambio en el uso del suelo.
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 Estados Unidos se utilizara para producir etanol, desplazaría el 12% del consumo actual de gasolina en los Estados Unidos. Existen 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 sustentan bosques generalmente no son adecuadas para el cultivo de cultivos. En cualquier caso, la agricultura puede implicar una disminución en 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 una posible dislocación de las comunidades locales. La nueva tecnología permite a los agricultores y procesadores producir cada vez más la misma salida 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, lo que podría duplicar 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 de 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 menor huella de carbono porque la cantidad de fertilizantes y fungicidas que consumen mucha energía siguen siendo los mismos para una mayor producción de material utilizable. La tecnología para producir etanol celulósico se encuentra actualmente en la etapa de comercialización.

Uso de biomasa para electricidad en lugar de etanol.
De acuerdo con un análisis publicado en Science en mayo de 2009, los investigadores continúan buscando desarrollos más rentables en celulosa. La conversión de biomasa en electricidad para cargar vehículos eléctricos puede ser una opción de transporte más “amigable con el clima” que usar biomasa para producir etanol. Etanol y baterías avanzadas para vehículos.

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

Eficiencia de cultivos comunes.
A medida que mejoran los rendimientos de etanol o se introducen diferentes materias primas, la producción de etanol puede llegar a ser económicamente más factible en los Estados Unidos.Actualmente, se está llevando a cabo una investigación para mejorar los rendimientos de etanol de cada unidad de maíz usando 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 rápido crecimiento como la hierba de césped se pueden cultivar en tierras no adecuadas para otros cultivos comerciales y producen altos niveles de etanol por unidad de área.

Cultivo Rendimiento anual (litros / hectárea, galón / acre estadounidense) Ahorro de gases de efecto invernadero
gasolina [a]
Comentarios
Caña de azúcar 6800–8000 L / ha,
727–870 g / acre
87% –96% Césped anual de larga temporada. Se utiliza como materia prima para la mayoría del bioetanol producido en Brasil. Las plantas de procesamiento más nuevas queman residuos que no se utilizan para el etanol para generar electricidad. Crece solo en climas tropicales y subtropicales.
Miscanthus 7300 L / ha,
780 g / acre
37% –73% Césped perenne de baja entrada. La producción de etanol depende del desarrollo de la tecnología celulósica.
Césped 3100–7600 L / ha,
330–810 g / acre
37% –73% Césped perenne de baja entrada. La producción de etanol depende del desarrollo de la tecnología celulósica. Se están realizando esfuerzos de mejoramiento para aumentar los rendimientos. Mayor producción de biomasa posible con especies mixtas de gramíneas perennes.
Álamo 3700–6000 L / ha,
400–640 g / acre
51% –100% 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 g / acre
Sin datos Césped anual de bajos insumos. Producción de etanol posible utilizando la tecnología existente. Crece en climas tropicales y templados, pero las estimaciones de rendimiento de etanol más altas suponen múltiples cultivos por año (posible solo en climas tropicales).No se almacena bien.
Maíz 3100–4000 L / ha,
330–424 g / acre
10% –20% Césped anual de alto aporte. Se utiliza como materia prima para la mayoría del bioetanol producido en los Estados Unidos. Solo los granos pueden procesarse utilizando la tecnología disponible; El desarrollo de la tecnología celulósica comercial permitiría el uso de residuos y aumentaría el rendimiento de etanol en 1.100 a 2.000 litros / ha.
Fuente: Nature 444 (7 de diciembre de 2006): 673–676. 
– Ahorro de emisiones de GEI suponiendo que no hay cambios en el uso de la tierra (utilizando las tierras de cultivo existentes).

Reducción de importaciones y costos de petróleo.
Una razón dada para la producción extensiva de etanol en los Estados Unidos es su beneficio para la seguridad energética, al cambiar la necesidad de un poco de petróleo producido en el extranjero a fuentes de energía producidas en el país. La producción de etanol requiere energía significativa, pero la producción actual de los Estados Unidos deriva la mayor parte de esa energía del carbón, el gas natural y otras fuentes, en lugar del petróleo. Debido a que el 66% del petróleo que se consume 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 EE. UU. fuentes de energia.

Según un análisis realizado en 2008 por la Universidad Estatal de Iowa, el crecimiento en la producción de etanol en los EE. UU. Ha provocado que los precios minoristas de la gasolina sean de US $ 0.29 a US $ 0.40 por galón más bajos de lo que hubiera sido el caso.

Investigación
La investigación sobre 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 modifica genéticamente con genes y enzimas del rumen de la vaca, puede producir etanol a partir del rastrojo de maíz. Otras materias primas potenciales son los residuos municipales, productos reciclados, cascos de arroz, bagazo de caña de azúcar, astillas de madera, pastos y dióxido de carbono.