V CONGRESO DE LA REGION NORTEAMERICA Y EL CARIBE DE LA ASOCIACION INTERAMERICANA DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL USO DEL ALCOHOL COMO CARBURANTE EN EL TRANSPORTE PARA EL MEJORAMIENTO DE LAS CONDICIONES AMBIENTALES. PANORAMICA INTERNACIONAL Y EXPERIENCIAS EN CUBA AUTORES: Ing. Maribel Herryman Munilla Dra. Gladys Blanco Carracedo Dra. Marianela Cordovés Herrera INSTITUTO CUBANO DE INVESTIGACIONES DE LOS DERIVADOS DE LA CAÑA DE AZUCAR ( ICIDCA ) CUBA OCTUBRE DEL 2001 1 Introducción Actualmente, la conservación del medio ambiente es uno de los objetivos fundamentales de la mayor parte de los países, por la importancia que esto tiene para garantizar a la humanidad una mejor calidad de vida en todos los sentidos, tanto en el presente como en el futuro. Una fuente importante de contaminación es el transporte, debido a los gases de escape de los vehículos. Por eso, se realizan esfuerzos para disminuir estos efectos, entre los que está el uso del etanol en mezclas con gasolina y/o diesel o para fabricar aditivos con vistas a eliminar o reducir su poder contaminante. Desde hace años, países como Estados Unidos, Brasil Canadá y Francia realizan importantes acciones en el uso del alcohol como combustible y, últimamente, también otros de América, Europa y algunos de Asia y Africa han comenzado a ejecutarlas. En Cuba, el etanol en mezclas con gasolina se empleó, en la década de los años 40, por la escasez de gasolina como consecuencia de la Segunda Guerra Mundial; después, se realizaron investigaciones para usar las mezclas alcohol-gasolina pero los resultados nunca se llevaron a escala comercial. Actualmente, diferentes instituciones continúan investigando en este sentido, utilizando para las mezclas gasolina regular y distintos tipos de alcoholes, para determinar las proporciones alcohol-gasolina óptimas en la mezcla y la viabilidad de su empleo en el transporte automotor. En este trabajo se realiza una caracterización del etanol como carburante y la incidencia de su uso en la preservación del medio ambiente por su efecto reductor de contaminación al ser utilizado como combustible en mezclas con gasolina en el transporte, se hace un análisis del desarrollo de esta problemática en distintos países que se destacan por la envergadura de las acciones que están llevando a cabo y se ofrecen las experiencias de Cuba en este campo: antecedentes, investigaciones realizadas y resultados obtenidos. Además, se analizan algunos de los factores que influyen en el empleo del etanol como carburante en nuestro país. Para Cuba, la utilización del etanol como combustible automotor es una alternativa de gran importancia que permitiría disminuir la contaminación ambiental, ampliar la oferta de combustibles y reducir la dependencia de la importación de petróleo. 2 1. El etanol como carburante El uso del etanol como combustible no es nuevo, se estudió y utilizó como portador energético automotor antes de que se generalizaran los combustibles derivados del petróleo. El etanol tiene determinadas características que lo hacen apropiado para su uso como carburante como son: § Es un combustible líquido que por su valor calórico puede utilizarse en vehículos automotores. § Tiene alto octanaje, lo que permite no sólo extender o ampliar el volumen del combustible clásico, sino que mejora sus propiedades. § Tiene alta solubilidad en gasolina; es miscible en todas las proporciones con casi todas las gasolinas. La Tabla 1 muestra las propiedades más importantes del etanol como combustible. Tabla 1. Propiedades del etanol como combustible. Propiedades Poder calórico (Kcal/l) % octano Rel. Esteq. Masa aire/combust. Calor latente de evap(Kcal) Presión de vapor a 34,9 º C (psig) Gasolina 7540 100 15,1 6,7 0,5 Etanol 5070 51,5 9,1 28,8 1,9 Metanol 3800 68 6,45 52,9 3,8 El conocimiento sobre el etanol y la experiencia de su empleo permiten plantear que mezclado con gasolina tiene las siguientes ventajas: § § § § § Número superior de octanos Emisión de gases menos tóxicos Universalización del proceso tecnológico Reducción de las importaciones de petróleo y/o gasolina Aumento de la disponibilidad de combustible automotor 3 § § Obtención a partir de una materia prima renovable Estimula al sector agroindustrial Por proceder de materias primas renovables, ser antidetonante (eleva el octanaje) y ambientalmente amigable, por sustituir al plomo y disminuir compuestos dañinos presentes en las emisiones del combustible automotor, entre otras consideraciones, la producción de etanol se está ampliando y extendiendo a más países con el objetivo de cumplir con las cada vez más exigentes legislaciones ambientales. El etanol es particularmente estratégico para países con escasas reservas petrolíferas y con condiciones favorables para la producción de biomasa que, como la caña de azúcar, el maíz, etc., son materias primas empleadas para su producción. De ahí, que varios países lo estén empleando o valorando su posible empleo y el interés del nuestro de analizar su uso en nuestras condiciones. 2. Impacto del uso del etanol como carburante en el medio ambiente Los problemas de contaminación ambiental en las grandes urbes se originan, principalmente, por la combustión de las gasolinas y el diesel de los vehículos que circulan. El empleo de carburantes con alcohol y de mezclas alcohol-gasolina, en sustitución de los derivados del petróleo, es una de las formas de mejorar la calidad del aire. El etanol, es uno de los alcoholes que se utilizan como carburantes. Cuando el etanol sustituye a la gasolina, contribuye a disminuir el efecto invernadero producido por las emisiones de CO2, conocido como el mayor causante del calentamiento global. Estudios técnicos realizados en Brasil demostraron que la sustitución de un litro de gasolina por alcohol evita la emisión de 0,85 kg de CO2 . El etanol se utiliza como aditivo antidetonante en lugar del tetraetilo de plomo, reportándose que la adición del 10% incrementa el octanaje de la gasolina en tres puntos de octano, lo que ayuda a reducir la ineficiente práctica de refinar el crudo hasta componentes de alto-octano. Como resultado del uso del etanol, Brasil fue el primer país en el mundo en eliminar totalmente el dañino tetraetilo de plomo. Debido a que la molécula de etanol contiene oxígeno, este compuesto se utiliza también como oxigenante. Cuando se mezcla con la gasolina, permite una combustión más limpia y mejor, con menores emisiones a la atmósfera y la reducción de las emisiones de CO de 17 – 33%, en dependencia del vehículo. Otras características técnico-ambientales del etanol al emplearlo como carburante en comparación con la gasolina: 4 • Requiere menos aire para la combustión por su contenido de oxígeno. Pproduce menos emisiones de CO, por una mejor combustión y posibilita una reducción de los óxidos de nitrógeno. • Disminuye las emisiones de hidrocarburos, de SO2 y de partículas, por ser un compuesto de bajo peso molecular y de unión sencilla carbono – carbono. Menor formación de hollín durante su combustión. • Menor presión de vapor, por lo que se obtienen menores emisiones evaporativas que permiten reducir el smog urbano. • Modifica la composición de la emisión de los compuestos orgánicos disminuyendo su toxicidad y su reactividad fotoquímica. • En los motores de gasohol el etanol disminuye la emisión de formaldehído, sustancia casi dos veces mas reactiva en la generación de oxidantes fotoquímicos que el acetaldehído y, también más tóxica. • Tiene un índice de octano 15% más elevado, lo que permite a los motores especializados que funcionan con alcohol transformar una mayor cantidad de carburante en energía. La experiencia de Brasil permite resaltar el impacto que en materia ambiental ha tenido la evolución del uso del gasohol (mezcla de gasolina con 10% de alcohol) y el etanol en ese país, durante los últimos años. La Tabla 2 muestra la emisión de contaminantes por vehículos ligeros en Brasil con distintos combustibles. Se advierte la disminución con la presencia del etanol. Tabla 2. Emisión de contaminantes por vehículos ligeros en BRASIL AÑO COMBUSTIBLE Antes de 1980 1986 Gasolina Gasolina/Etanol Etanol Gasolina/Etanol Etanol Gasolina/Etanol Etanol 1990 1995 CONTAMINANTE (g/km) CO HC NOX Aldehídos 54 4,7 1,2 0,05 22 2 1,9 0,04 16 1,6 1,8 0,11 13,3 1,4 1,4 0,04 10,08 1,3 1,2 0,11 4,7 0,6 0,6 0,025 4,6 0,7 0,7 0,042 3. Situación mundial del uso del alcohol como carburante 5 Tradicionalmente el uso mas extendido del etanol ha sido para bebidas y como solvente, pero desde hace años su empleo como carburante, en mezclas con gasolina o solo, cobró importancia, fundamentalmente, por los altos niveles de contaminación que crea la emisión de los gases de la combustión de los motores en el transporte. Estados Unidos, Brasil, Canadá y Francia continúan realizando importantes acciones para generalizar el uso del etanol como combustible automotor, básicamente, para disminuir contaminación ambiental y, últimamente, otros países de América Latina, Europa, Asia, Africa y Australia están llevando a cabo proyectos, investigando y haciendo pruebas con el objetivo de introducir el uso de las mezclas alcohol-gasolina. Estados Unidos Es el segundo productor mundial de alcohol. En este país existe un fuerte movimiento en cuanto al uso del etanol como combustible automotor. Se están llevando a cabo programas que estimulan su uso en mezclas con gasolina o para la producción de ETBE. El gobierno participa activamente en esta política con disposiciones y mandatos que favorecen y obligan al uso del etanol como carburante y se otorgan primas a los que contribuyan a expandir la producción de etanol del país mediante el uso de nuevas tecnologías que empleen residuos agrícolas y otras biomasas, con el objetivo de disminuir los costos del etanol, crear nuevos mercados, impulsar el uso de una gasolina que queme más limpio y reducir la dependencia del petróleo importado. Se extendió el subsidio a la gasolina que contiene etanol de fuentes renovables y se espera que se construyan nuevas capacidades. En el Senado se propuso dar financiamiento para el desarrollo de combustibles a partir de cultivos y hallar nuevas vías para hacer del etanol un aditivo para mezclarlo con gasolina y obtener gasohol. Brasil Es el mayor productor mundial de etanol. En el país existe una política para subvencionar la industria alcoholera para que logre establecerse en el mercado internacional de fuentes alternativas de energía. Se mantiene la situación de grandes excedentes de etanol por lo que se plantea realizar exportaciones a Estados Unidos aprovechando que la prohibición del MTBE aumentará la demanda de alcohol para mezclarlo con la gasolina. También se plantea incrementar la demanda interna tomando medidas como las siguientes: ♦ Mezclar alcohol con diesel, comenzando con 3% y aumentar hasta llegar a 10%. 6 ♦ Aumentar el contenido de etanol en la mezcla de 24% hasta 26%. ♦ El incentivo que se aplica a todos los taxis dejarlo sólo para los que empleen etanol. ♦ Aumentar el número de carros que utilizan alcohol como único combustible. Está creciendo el mercado de los vehículos propulsados por alcohol y se espera que en el 2003 se produzcan 300 000 unidades, lo que es índice del interés de seguir utilizando el etanol como combustible, para aprovechar la disponibilidad de alcohol existente y mejorar las condiciones ambientales. Canadá Este país continúa desarrollando una gran campaña para el uso del etanol como combustible automotor. Existe un programa nacional de etanol y biomasa que apoya la construcción de nuevas instalaciones y se construirá una planta para la producción de etanol combustible a partir de residuos de las granjas para su uso como carburante. Se está llevando a cabo una campaña para que los choferes usen los combustibles en mezclas con gasolina que contienen hasta 10% de etanol, con lo que pueden reducirse las emisiones de CO2 en más de un 10% y las de CO en más de 30%. Además, se está incrementando el número de instalaciones en construcción o en proyecto para la producción de etanol. La eliminación de impuestos ha contribuido a esta acción. En 1997 se construyó una planta para la producción simultánea de ETBE y MTBE en la que se aplica comercialmente , por primera vez, el proceso oxigenado múltiple, que representa una gran ventaja en los costos, mayor eficiencia y flexibilidad de mercado. Francia Es el mayor productor de alcohol en la Unión Europea. En este país también existe un fuerte movimiento para producir y usar biocombustibles para disminuir contaminación ambiental y se plantea que en el año 2004, el 5% de todo el combustible fósil sea reemplazado por biocombustibles. En el año 2000 se establecieron nuevas medidas relacionadas con la protección del medio ambiente y se prevé incorporar el 2% de componentes oxigenados en los combustibles, lo que elevará considerablemente la producción y el consumo de etanol. 7 La tendencia es al uso del ETBE como aditivo de los combustibles más que a emplear mezclas con etanol y, en los últimos años, han entrado en operación varias plantas de ETBE. La producción de ETBE en 1998 fue, aproximadamente, de 200 000 t y puede aumentar considerablemente después del 2000 debido a nuevas unidades en construcción. México En este país, el empleo del etanol como carburante se analizó por primera vez en 1996. Actualmente, en la ciudad de México, se inició su uso en una flota de vehículos del gobierno y se están haciendo pruebas con ómnibus propulsados con etanol para que los operadores privados reemplacen sus 12 000 ómnibus en 10 años. El nuevo programa de aire limpio plantea usar mezclas alcohol-combustible en los vehículos estatales, estimándose que esto incluirá a más de 20 000 camiones y automóviles. En Jalisco se prevé producir etanol para la industria local de gasolina y que vehículos del gobierno y otros vehículos oficiales comiencen a emplear gasolina con un 10% de etanol en la mezcla. En Veracruz se plantea convertir 22 centrales azucareros del estado a la producción y distribución de etanol, ya que los bajos precios del azúcar, dificultades financieras y el aumento de las importaciones de los siropes de maíz ricos en fructuosa han golpeado las ganancias de los mismos. Suecia En Suecia el etanol combustible se emplea como un aditivo directo de la gasolina o del diesel oil, en proporciones de 5 y 15% respectivamente. Scania, líder del mercado en la fabricación de ómnibus de etanol en Suecia y en Europa, continúa expandiendo su mercado. Esta compañía tiene una planta productora de ómnibus de etanol en Brasil. La mayor flota de ómnibus de etanol está operando en Estocolmo y hay otras seis ciudades suecas usando este tipo de transporte. A partir del 2001, unos 600 000 choferes en Suecia usarán combustible con 5% de etanol. Otros países La literatura especializada más reciente, reporta nuevos países que han comenzado a investigar y hacer pruebas con vistas al uso del etanol en mezclas con gasolina, entre los que pueden mencionarse con acciones de mayor importancia Polonia, Italia, 8 España, India, Sur Africa, Estonia, Ucrania, Paraguay, Colombia y Australia, donde los productores de azúcar de caña están presionando muy fuertemente para que se introduzca el uso del etanol como carburante y seguir a Brasil y a México en cuanto a producir etanol como solución a la depresión de la industria azucarera. 4. Experiencias en Cuba 4.1 Antecedentes del uso del etanol como carburante en Cuba θ Durante la Segunda Guerra Mundial. Adición de alcohol a la gasolina en una mezcla conocida como “MOFUCO”, que ocasionaba trastornos a los equipos si el alcohol tenía un alto contenido de agua. θ En 1956 entra en vigor el decreto que obliga a mezclar gasolina con alcohol absoluto para uso como combustible. θ En 1961 vuelve a establecerse el uso del alcohol en mezclas con gasolina como combustible automotor en sustitución del tetraetilo de plomo para elevar el octanaje. 4.2 Investigaciones realizadas Diferentes instituciones realizaron investigaciones con vistas al uso de las mezclas alcohol-gasolina. θ 1951-1959. Trabajos sobre mezclas de alcohol y gasolina con una fracción de fuelθ θ θ θ θ oil como estabilizador. 1961. Experiencias de mezclas alcohol-gasolina con diferentes contenidos de tetraetilo de plomo. Se usaron entre 10 – 30 %. 1966. Pruebas para un estabilizador para las mezclas alcohol hidratado-gasolina. . 1974. Investigaciones con diferentes gasolinas base y varias alternativas de mezclado. Se usó un 15% de alcohol para los casos en que el número de octanos era menor de 83. 1974. Investigaciones con mezclas de alcohol-gasolina utilizando hasta un 30% de alcohol y gasolina regular. Se vio que un 30% de alcohol era excesivo, realizándose nuevas experiencias con proporciones entre 10 – 12%. 1976. Investigaciones para determinar las características del punto de enturbiamiento de las mezclas alcohol-gasolina a diferentes concentraciones y temperaturas. 9 Aunque no se hizo aplicación práctica de los resultados, estas experiencias evidenciaron que: θ El uso de mezclas alcohol-gasolina favorece la disminución de los componentes tóxicos en los gases de escape y el aumento de la eficiencia térmica. θ Proporciones de alcohol superiores al 15 – 20% aumentan probabilidades de dificultades técnicas; inferiores al 5% incrementan el peligro de hidratación de la mezcla y, por tanto, problemas con el funcionamiento del motor. Se recomendaron mezclas con un contenido de alcohol entre 5 – 15% θ El alcohol es un antidetonante que tiene la ventaja con respecto al tetraetilo de plomo de no ser tóxico ni contaminante del medio ambiente ni ocasionar deterioro del motor. 4.3 Situación actual El Centro de Investigaciones del Petróleo de Cuba (CEINPET), está realizando investigaciones con el objetivo de obtener mezclas alcohol-gasolina para emplearlas como combustible en el transporte. Las investigaciones se han desarrollado utilizando gasolina regular y alcohol anhidro de 99,7 ºGL para la preparación de las mezclas. Se realizaron diferentes pruebas con distintas proporciones de etanol en las que se determinó como más conveniente la mezcla con proporción de 15% de alcohol anhidro. Actualmente, está programada la ejecución de una prueba de campo de esta mezcla, en el parque automotor de un Complejo Agroindustrial Azucarero del país, para comprobar, en mayor escala, los resultados obtenidos. Los ensayos demostraron que esta mezcla no causa afectaciones en el motor de los vehículos y permite un buen funcionamiento de los mismos. 5. Factores que favorecen el uso del alcohol como carburante en Cuba Cuba es un productor de alcohol de consideración y cuenta con una industria alcoholera establecida y una vasta experiencia en su producción. Actualmente, se llevan a cabo programas de desarrollo de la agricultura cañera para garantizar el suministro de materia prima, mieles finales, para incrementar la producción de alcohol con vistas a que exista la disponibilidad suficiente para desarrollar nuevos usos, entre los que se encuentra su empleo en mezclas con gasolina y cumplir los compromisos de exportación. 10 Con este objetivo, el Ministerio del Azúcar (MINAZ) ha estructurado un Programa de Desarrollo para la industria alcoholera que incluye inversiones para reposición y ampliación de las capacidades, orientadas al incremento de la eficiencia de la capacidad actual instalada, a la disminución de los costos de producción y a la construcción de nuevas destilerías y deshidratadoras. Aunque la contaminación ambiental causada por las emisiones de los motores de los vehículos, todavía en Cuba no es un problema de consideración, las regulaciones medioambientales van siendo más severas y cada vez hay más exigencia en este aspecto en el país, lo que obligará, en un plazo no muy lejano, a tomar medidas en este sentido. Por otra parte, el empleo del etanol en mezclas con gasolina, tiene un carácter estratégico, ya que permitiría al país ampliar la oferta de combustibles, utilizando un combustible obtenido nacionalmente, a partir de fuentes renovables y, que contribuiría al mejoramiento de las condiciones ambientales, al disminuir la contaminación por la emisión de los gases de la combustión. 6. Conclusiones w El uso del etanol en las mezclas tiene un efecto reductor en los niveles de contaminación de los gases de escape de los vehículos automotores y eleva el octanaje de las gasolinas, mejorando sus propiedades, sin necesidad del uso de agentes nocivos como el tetraetilo de plomo. Sus características de ser renovable, oxigenante y ambientalmente amigable refuerzan sus posibilidades de ser empleado en la composición de la gasolina para el transporte automotor. w El uso del etanol como carburante es un objetivo importante en muchos países y cada día son más los que se suman a esta práctica. Continúan lidereando esta tendencia Estados Unidos y Brasil, con acciones muy concretas, seguidos por Canadá y Francia. w En Cuba se han realizado investigaciones con etanol anhidro con vistas al uso de las mezclas con gasolina y los resultados indican que es posible emplear satisfactoriamente como combustible en el transporte, mezclas con un contenido de etanol anhidro del 15%. w Se está desarrollando un programa para el mejoramiento integral de la agroindustria, que incluye a la industria alcoholera, con el objetivo de elevar la eficiencia productiva de la misma, garantizar la materia prima, mieles finales, para 11 aumentar la producción de alcohol y crear las condiciones para el uso del etanol en las mezclas carburantes. w El uso del etanol en las mezclas es una cuestión estratégica ya que, además de reducir los niveles de contaminación ambiental, permite ampliar la oferta de combustible y reducir la dependencia de las importaciones. 7. 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