Alto desempeño sustentable, la oportunidad del etanol

(Publicado en la revista Energía a Debate, enero-febrero 2017)

Desde 1975 en Estados Unidos la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras, o NTHSA por sus siglas en inglés, regula los Promedios Corporativos de Economía de Combustibles (CAFE Standards)(1) marcando los rendimientos promedio con los que deben de cumplir los vehículos producidos por cada fabricante de automotores que deseen vender en territorio americano. Esta medida, de manera indirecta, contribuía a reducir las emisiones de los vehículos. La lógica básica: a menor consumo de combustible por milla recorrida, menores emisiones.

Es en el año 2007 por medio del “Acto de Independencia y Seguridad Energética” que la Agencia de Protección al Medio Ambiente (EPA) se vuelve responsable de fijar las metas de emisión de Gases de Efecto Invernadero en el Corto, Mediano y Largo Plazo, de manera cooperativa con las metas de rendimiento de la NTHSA. En 2012, en conjunto con la industria automotriz, se establecieron las últimas metas para vehículos de pasajeros ligeros. Para el año 2025 el requisito será contar con un rendimiento por flota de fabricante de 54.5 millas por galón en promedio, equivalentes a 23 km por litro. Además se fija un límite para vehículos del año modelo 2025 de 163 gramos por milla de emisión de dióxido de carbono, o 102 gramos por kilómetro. En contraste el rendimiento por flota en este 2016 es de 35.5 mpg (15 km/l). A los fabricantes de automóviles se les está exigiendo una mejora en rendimiento de más del 50%.

El compromiso de los fabricantes de automóviles al haber sido parte del comité para establecer los límites, es invertir en investigación y desarrollo de nuevos vehículos mediante motores más eficientes. La principal vía para desarrollar estos nuevos motores más eficientes es llegar a proporciones de compresión mayores. Una mayor relación de compresión en un motor, léase la relación entre el volumen en la cámara de combustión a su mayor capacidad y el volumen a su menor capacidad, permite una mayor eficiencia térmica del motor. Una compresión mayor de la mezcla aire-combustible hace que se alcance la misma temperatura con una menor cantidad de combustible. Para llegar a proporciones de compresión más altas, es necesario contar con un combustible especialmente formulado para tener una temperatura de autoignición mayor, a lo cual se le llama octanaje.

A mayor octanaje, mayor es la compresión que soporta el combustible antes de la autoignición.

La gasolina más vendida en México, PEMEX Magna, tiene 87 octanos. El etanol, el combustible renovable de mayor producción en el mundo, tiene un octanaje de 113. Esto permitiría razones de compresión de 16:1, comparadas a las proporciones típicas en los motores actuales de 10:1.

Ya desde 1949 Oldsmobile prometía un motor 8 cilindros con compresión 12:1 y rendimientos de 10.5 km/l, totalmente radical para la época. “Para el conductor promedio, acosado por los precios crecientes en las bombas de las estaciones de llenado, el nuevo motor parece una respuesta a sus plegarias. No obstante existe una dificultad: hasta que los combustibles adecuados estén disponibles en todo el país, los clientes de Olds tendrán que quedar satisfechos con una mera fracción del desempeño y economía del cual es capaz.”, Francis, Devon, High Compression!, Popular Science, Enero 1949, página 150.

Hoy en día, 67 años después, los combustibles ampliamente comerciales no sobrepasan los 94 octanos, y su precio puede llegar a ser el doble de la gasolina regular(2). A partir de destilados del petróleo es posible crear combustibles de alto octanaje, los llamados Racing Fuels, que pueden llegar a 100 octanos pero a un precio todavía mayor. De los componentes típicos de las gasolinas, a mayor octanaje, mayor su precio. Es hasta que la industria del etanol se desarrolló en los últimos años con economías a escala eficientes y la constante mejora en los rendimientos de los insumos agropecuarios, que se ha llegado a producir el componente con el menor costo por octano en el mercado. Remplaza componentes de la gasolina provenientes de la destilación del petróleo que generalmente son altamente dañinos, algunos incluso son inductores de varios tipos de cáncer, además de reducir las emisiones de partículas finas que emitirían estos compuestos.

Etanol, o proceso de los dioses

Etanol, o su nombre completo “alcohol etílico”, es el único de los alcoholes conocido por el hombre que podemos ingerir si al destilarlo se aísla de los demás componentes que sí pueden ser dañinos al cuerpo humano, como otros alcoholes incluyendo el metanol. Sus principales características: es incoloro, tiene un olor muy característico, su combustión genera básicamente bióxido de carbono, vapor de agua y energía en forma de calor.

En su forma más básica, se produce mediante la fermentación de azúcares a través de la levadura saccharomyces cerevisiae. La producción de bebidas alcohólicas es una de las prácticas más antiguas de la humanidad, con evidencia tan antigua como el año 10,000 AC. Por las trazas encontradas en los recipientes de donde se bebía se ha podido determinar su producción a partir de uvas, mieles, y arroz. El fermentar una bebida convertía al líquido resultante en potable, y mucho más seguro de beber que el agua de otras fuentes, esto además de los efectos que ya conocemos.

Durante el desarrollo de la civilización, e incluso durante la formación de las lenguas, las bebidas alcohólicas fueron tomando una gran relevancia. Aqua vitae, agua de vida, es la denominación en latín que se usaba en la Roma antigua para definir a las bebidas alcohólicas. En la lengua celta, uisge o agua, dio vida posteriormente a Whisky. El ruso tampoco se alejó mucho con Vodka: agua pequeña.

La versatilidad de materias primas con las cuales se podía producir alcohol dio pie a las bebidas regionales: los vodkas, los brandies, los sakes, los tequilas y mezcales, los whiskys, y los whiskeys. Producir alcohol estaba al alcance de cualquier persona con conocimientos muy básicos de su elaboración: se parte de un almidón como el arroz, las papas, el trigo o el maíz, que posteriormente se transforma en azúcar, o directamente desde una fuente de azúcares como las uvas, la caña de azúcar o melazas, el sorgo dulce o la remolacha. Este mosto se fermenta para obtener un “vino” con entre 5% y 9% de alcohol. Al separar mediante un alambique con tecnología muy rudimentaria se obtiene una concentración mayor de alcohol; únicamente se requiere evaporar el “vino”, condensar los vapores, y separar los componentes dependiendo la parte del ciclo en la que se haya condensado. Un “corte” ideal, después de dos o tres destilaciones, podrá tener como resultado alcohol de 96% de alcohol en volumen.

A nivel industrial el principal cambio en el proceso es el uso de columnas de destilación continuas, con capacidades de destilar hasta 40,000 litros por hora. Para alimentar una planta de esta capacidad se requiere un camión de caña de azúcar cada tres minutos y medio.

Es precisamente la sencillez en su proceso de producción y la versatilidad la que hace que el etanol como combustible estuviera bajo la mira de Henry Ford cuando diseñara el Ford modelo “T” 1908. Un gran número de granjas en los Estados Unidos producía su propio alcohol. Cada comunidad rural tenía la oportunidad de autoabastecer el combustible para su vehículo, con insumos y producción local. En esa época las estaciones de carga de gasolina eran muy limitadas en número con apenas algunas estaciones dedicadas, y en su origen los depósitos de keroseno para lámparas de aceite. La producción local de combustibles a través del etanol fue la solución ideal para el territorio norteamericano a la limitada distribución de gasolina. El idilio terminó en 1920 con la Prohibición de la producción, distribución, venta y uso del alcohol. El número de estaciones de servicio (filling stations) pasó de 15,000 al inicio de la Prohibición, a 170,000(3) cuando que se dio por terminada la medida en 1933, crecimiento causado por la ausencia de alternativas de combustibles.

Motores de alta compresión

El desarrollo tecnológico aplicado a nuevos motores de combustión interna es necesario para poder cumplir con los objetivos de rendimiento y reducción de emisiones. Para ello se debe de trabajar sobre la eficiencia energética de los motores, con 3 ejes principales de desarrollo que requieren un combustible de mayor octanaje: aumentar la relación de compresión, reducir el tamaño de los motores y turbocargar el motor.

Como se comentó anteriormente, una mayor relación de compresión aumenta la eficiencia termodinámica.

Un tamaño de motor reducido opera de forma más eficiente debido a sus características operativas a baja velocidad y con mayor carga. Se optimiza con transmisiones con un mayor número de velocidades.

Finalmente turbocargar un coche permite recuperar energía del escape del motor y ocuparla para comprimir el aire antes de reingresar a la cámara de combustión.

Por las características propias del etanol este se evapora en la cámara de combustión, enfriando la mezcla de aire-combustible. Una cámara de combustión que trabaja a temperaturas más frías permite desarrollar motores más pequeños.

El mismo motor se comporta de forma totalmente distinta con un combustible hecho a base de etanol como aportador de octano. Mercedes Benz hizo pruebas con su motor M274 de 2.0L. Las características base con gasolina regular son 208 caballos de fuerza y 258 lb/pie de torque. El mismo motor turbocargado, usando E30 con 95 octanos (RON+MON)/2, brinda 350+ lb/pie de torque y más de 227 caballos de fuerza.

Super coches como el Ferrari tienen ya relaciones de compresión de 13.5:1, creando un automóvil con motor de 12 cilindros de 6.3 litros con casi 6 km / litro de rendimiento en la ciudad.

Sustentabilidad a nivel mundial

Hoy en día 64 países en el mundo utilizan etanol como componente de sus gasolinas, y tres de ellos, Brasil, Estados Unidos y Paraguay, además como combustible independiente.

El uso de etanol como componente de la gasolina comenzó como oxigenante de la gasolina, en proporciones relativamente bajas ya que su único objetivo era añadir moléculas de oxígeno a la mezcla. En vehículos de tecnologías anteriores, la mezcla airecombustible ideal era difícil de lograr, ya que no existían los mecanismos precisos para medir la cantidad de oxígeno proveniente del aire en la mezcla, y luego ajustarlos para lograr una combustión lo más completa posible. Al no tener el oxígeno totalmente disponible durante la combustión, se llevaban a cabo combustiones incompletas con un significativo aumento de monóxido de carbono.

Al ir aumentando la capacidad de producción de etanol alrededor del mundo y por ende su disponibilidad a menor costo, se han podido reformular gasolinas para aceptar mayores concentraciones de etanol, dando como resultado un combustible con un mayor octanaje y con un costo muy por debajo de los combustibles de alto octanaje a base de petróleo.

Un combustible E30 (30% eta

nol y 70% gasolina) tiene de 95 a 98 octanos a un precio similar al de la gasolina regular.

En la tabla siguiente se muestran los 5 principales países con sumidores de etanol como combustible en el mundo y el porcentaje con respecto al total de gasolinas.

Etanol combustible en México

En México existen tres plantas productoras de Etanol combustible, dos ubicadas en el Estado de Veracruz y una en el Estado de Oaxaca. Sus materias primas son la caña de azúcar, la melaza y en una de ellas el Sorgo grano. Además existen proyectos para la construcción de varias plantas más.

Existen alrededor de 1.2 millones de hectáreas aptas para la producción de biomasa sin desplazar cultivos dedicados a la alimentación. Esta superficie podría plantear una producción total de etanol de más de 35 mil millones de litros al año, que permitirían que el 25% de los combustibles líquidos para vehículos ligeros fueran etanol. Además, con el bagazo de caña no utilizado en los procesos de extracción, existe la posibilidad de cogenerar arriba de 2 mil 500 MWh hora de electricidad a partir de biomasa.

El uso del etanol en nuestro país ha pasado por varias etapas de incongruencia: En 2008 se creó un marco legal para incentivar su uso en la Ley para la promoción y el desarrollo de los Bioenergéticos, posteriormente se incluyó como parte de la solución a los compromisos ambientales adquiridos en el protocolo de Kyoto o la Ley General de Cambio Climático de 2015 que incentiva el uso de energías alternativas.

Por otro lado, y en sentido contrario se ha hablado mal del etanol como su poca viabilidad en ciudades a grandes altitudes, soslayando que en ciudades como Bogotá, Colombia o Santa Fe, Nuevo México con elevaciones mayores a la de la Ciudad de México se ha venido usando con éxito desde hace años y con planes de incrementar su utilización. Incluso recientemente se expidió la Norma de calidad de combustibles en la que se establece la prohibición de su uso en las tres grandes zonas metropolitanas del país (CDMX, Guadalajara y Monterrey) soportado con documentación desactualizada o viciada, sin siquiera revisar las investigaciones recientes que se han realizado en nuestro país para validar su uso en México, sus beneficios ambientales.

El etanol debe de analizarse desde una perspectiva integral que cubre cinco temas:

Emisiones

La combustión del etanol produce dióxido de carbono, agua y calor. Durante el crecimiento de la biomasa (la planta de la cual se extraerán los almidones/azúcares/celulosa) por medio de la fotosíntesis se convertirá el dióxido de carbono y la luz solar absorbidas durante el día en cadenas de carbono. La combustión del etanol no libera más dióxido de carbono que lo que absorbió la planta de donde provienen los átomos de carbono. Dado que la combustión del etanol solo produce dióxido de carbón, agua y calor, los contaminantes que erróneamente se le han atribuido provienen de su interacción con la gasolina. Recientes investigaciones a lo largo del mundo han demostrado que el uso de etanol en mezcla con gasolina disminuye las emisiones propias de la misma gasolina, como las cancerígenas, los precursores de ozono y las partículas finas (PM10, PM2.5).

Substituto de substancias dañinas

Al reemplazar un porcentaje de los combustibles fósiles, dis minuye el efecto de otros contaminantes.

Independencia energética

Al bajar la producción de las gasolinas en las refinerías mexicanas, el porcentaje de gasolinas importadas ha aumentado de manera importante. Al producir paulatinamente un mayor porcentaje del etanol que se use como carburante en nuestro país, estamos contribuyendo con producción nacional a la matriz energética.

Desarrollo económico

En Brasil, país que depende altamente del mismo cultivo que México, la caña de azúcar, ha crecido su producción a volúmenes considerables. La siembra y cultivo de la caña es una actividad intensiva en recursos humanos. Para una producción anual de 30.68 mil millones de litros de etanol, Brasil genera más de 539 mil empleos directos y 821 mil empleos indirectos. Cabe mencionar que Brasil está desarrollando su plan “BioRenova 2030” para llegar a una producción de 50 mil millones de litros de etanol anual a partir de ese año. Si México llegara en un futuro a usar el 10% de etanol dentro de la mezcla total de gasolinas, la generación de empleo ascendería a más de 300 mil empleos directos y 500 mil indirectos; un número mucho mayor que la industria petrolera en el país.

Octanaje barato

Ante el escenario de apertura a las importaciones de gasolinas por parte de particulares, y al tener una libre competencia en toda la cadena de proveeduría, los comercializadores de gasolinas buscarán optimizar sus mezclas con respecto a los modelos que ya conocen. En Estados Unidos la totalidad de gasolinas están constituidas por hasta un 10% de etanol, por lo que se ha probado su uso como reductor del costo total de la gasolina al ser el portador de octano de más bajo precio del mercado. Tanto los refinadores como los mezcladores (blenders) que deseen participar en el mercado mexicano, buscarán la reducción de costos intentando usar la especificación de combustible más cercana a la norteamericana, que incluye el uso de etanol hasta un 10%. (Ver cuadro 1)

El futuro del biocombustible en México

La producción de alcohol es uno de los procesos industriales más sencillos en el mundo, con insumos muy claros y productos bien definidos. Su principal insumo, el carbono, proviene de la celulosa, almidones o azúcares que se formaron previamente en la planta al absorber el dióxido de carbono disponible en la atmósfera.

México tiene prueba, en las áreas cercanas a Santiago Matatlán, la llamada Capital Mundial del Mezcal en Oaxaca, que la cultura Zapoteca prehispánica tenía ya utensilios de destilación previos al alambique. Mediante ollas de piedra evaporaban y condensaban los vapores para concentrar el alcohol y separarlo de los demás componentes.

Nuestro país tiene una vocación milenaria hacia los procesos de destilación y contamos con la riqueza climática y de suelos para liberar el potencial de millones de hectáreas para que crezcan cultivos altamente eficientes en transformar dióxido de carbono y luz solar en biomasa y así proveernos de combustibles sustentables. Tenemos a nuestro alcance la oportunidad de influir en la matriz energética nacional y contribuir en reducciones netas al dióxido de carbono disponible en la atmósfera, mejorando las economías locales en la actividad agrícola y por consiguiente las vidas de las miles de familias involucradas en la parte industrial, y con ventajas importantes tanto ambientales como en los costos de los combustibles. Si hoy en día se utilizara el etanol como componente importante de la gasolina, los precios que hoy vemos en las estaciones serían más bajos.