DOE: 10 biocombustibles podrían reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 60%
Los biocombustibles se están convirtiendo en una solución rentable y respetuosa con el clima para reducir las emisiones de carbono de coches y camiones, según dos nuevos estudios.
El Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) llevó a cabo la investigación en colaboración con el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del DOE, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y el Laboratorio Nacional de Idaho (INL). Los resultados muestran que los biocombustibles combinados con un diseño avanzado de motores pueden reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en aproximadamente un 60 %, a la vez que mejoran la eficiencia del combustible o reducen las emisiones del tubo de escape.
tienen claras ventajas sobre la gasolina fósil. Pero la eficiencia energética del propio motor también es crucial. Diseñar combustibles bajos en carbono y motores para que trabajen juntos puede maximizar la eficiencia energética y el rendimiento del vehículo.
«Estamos en la intersección de nuevas innovaciones en motores y biocombustibles», afirmó Troy Hawkins, gerente del grupo de combustibles y productos de Argonne. «Nuestro objetivo es desarrollar nuevos biocombustibles que puedan mezclarse con combustibles convencionales para mejorar el rendimiento del motor. Eso significa que un coche o camión de gasolina puede recorrer más distancia con la misma cantidad de combustible. O que un coche diésel puede cumplir normas de emisiones más estrictas».
En ambos estudios, los científicos de Argonne colaboraron con otros laboratorios nacionales para identificar combustibles prometedores para diferentes tipos de motores. Los investigadores consideraron el coste, el impacto ambiental y el potencial de expansión a los mercados comerciales.
La investigación fue respaldada por el programa de Cooptimización de Combustibles y Motores (Co-Optima), liderado conjuntamente por la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables, la Oficina de Tecnologías de Bioenergía y la Oficina de Tecnologías Automotrices del Departamento de Energía de EE. UU.
Argonne forma parte del consorcio Co-Optima, que integra nueve laboratorios nacionales y más de 20 socios universitarios e industriales. El consorcio estudia cómo innovar simultáneamente en combustibles y motores para mejorar el ahorro de combustible y el rendimiento del vehículo, al tiempo que se reducen las emisiones.
Encontrar vías para los biocombustibles
La investigación en el proyecto Co-Optima se basa en el objetivo de identificar y comprender los biocombustibles. Los biocombustibles se producen a partir de materia orgánica de biomasa, incluidas plantas, residuos agrícolas y residuos húmedos. Los biocombustibles pueden mezclarse con combustibles convencionales para reducir las emisiones y mejorar el rendimiento del combustible y del motor.
Trabajando con expertos en combustibles de Co-Optima, los investigadores utilizaron un proceso de selección para desarrollar una lista de biocombustibles para su estudio, dijo Benavid.
«Trabajamos con otros expertos y utilizamos criterios específicos para reducir los numerosos candidatos a biocombustible a una lista corta para nuestro estudio», dijo Benavid, «basándonos en el rendimiento deseado y los patrones de combustión del motor. Convertir biomasa en biocombustibles es un proceso complejo que implica variables en la materia prima, la tecnología de conversión y el tipo de combustible. Encontrar vías de biocombustibles que cumplan simultáneamente objetivos económicos, tecnológicos y energéticos es particularmente desafiante».
Benavid es coautor principal de uno de los estudios. El equipo evaluó 12 vías de producción de biocombustibles para optimizar los motores de combustión interna multimodo. Los motores de combustión interna multimodo pueden lograr una mayor eficiencia y ahorro de costes al utilizar diferentes métodos de encendido, combustión y preparación del combustible según las necesidades de conducción. Los investigadores utilizaron materias primas de biomasa renovable derivadas de subproductos agrícolas y forestales, como residuos de madera y subproductos agrícolas como el rastrojo de maíz. Las técnicas de conversión que emplearon incluyeron fermentación, catálisis HPHT o una combinación de ambas.
«Descubrimos que no solo los siete biocombustibles eran rentables de producir, sino que también variaban en las materias primas y las tecnologías de conversión utilizadas», dijo Buterin. «Esto significa que las biorrefinerías tienen más flexibilidad para elegir dónde y cómo construir sus instalaciones». Los investigadores del NREL y el PNNL realizaron una evaluación tecnoeconómica de las vías de producción de biocombustibles, analizando costes y rendimiento técnico. «Nuestros hallazgos sugieren que muchos biocombustibles son competitivos en coste con los costes actuales del combustible derivado del petróleo», dijo Phillips.
Los investigadores también analizaron los impactos ambientales. Un análisis de ciclo de vida de las vías utilizando el modelo GREET (Gases de Efecto Invernadero, Emisiones Reguladas y Energía Utilizada en Tecnología) de Argonne muestra resultados impresionantes. Diez biocombustibles tienen el potencial de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 60 % en comparación con la gasolina fósil. La lista incluye alcoholes, mezclas de furano y alquenos.
Perspectivas de los biocombustibles para motores diésel
El segundo estudio fue coautoría de Butlin. Los investigadores analizaron 25 vías optimizadas para producir biocombustibles para mejorar la combustión en motores de encendido por compresión controlada híbrida. Este es un motor diésel utilizado principalmente para el transporte de mercancías. Para desarrollar vías de producción de biocombustibles, los investigadores utilizaron una variedad de materias primas, que van desde material vegetal, como astillas de madera o rastrojo de maíz, hasta aceites de soja y papaya, pasando por residuos húmedos y grasas recicladas. Las tecnologías de conversión que utilizan incluyen fermentación, gasificación y licuefacción hidrotermal.
Damon Hartley, jefe del Grupo de Investigación y Análisis de Operaciones del INL, afirmó que los diversos recursos de biomasa disponibles tenían un enorme potencial para reemplazar algunos combustibles y productos químicos derivados del petróleo. Sin embargo, uno de los mayores obstáculos es la calidad variable de las materias primas. Esto tiene un gran impacto en cómo se comporta el material en las transiciones. Al igual que en el primer estudio, la mayoría de las técnicas funcionaron bien. La mayoría de los biocombustibles son competitivos en coste con los precios actuales del gas natural.
En términos de impacto ambiental, según el análisis de ciclo de vida GREET, 12 de las 25 vías han reducido las emisiones de gases de efecto invernadero en más del 60 %. «Evaluamos las emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida para cada vía de motor de encendido por compresión controlada híbrida», dijo Hawkins, «lo que nos permite identificar vías que reducen los gases de efecto invernadero en toda la cadena de producción, desde la producción de combustible hasta las emisiones del tubo de escape, incluidas las emisiones upstream».
Crear vías de biocombustibles
Los investigadores no planean desarrollar una lista definitiva de biocombustibles, dijo Benavid. En cambio, estos estudios proporcionan orientación para que las partes interesadas elijan la vía de biocombustible que mejor se adapte a sus necesidades. «Proporcionamos orientación a investigadores y la industria para evaluaciones de biocombustibles basadas en muchas variables complejas», dijo. «El análisis de ciclo de vida y tecnoeconómico es importante para guiar a las partes interesadas desde el principio. No podemos decir a las partes interesadas qué decisiones tomar. Pero estas herramientas pueden señalarles la dirección correcta desde el principio. Si bien muchas vías de biocombustibles pueden ser competitivas en coste, es demasiado pronto para fijar precios en un mercado volátil del gas natural».
A largo plazo, dijo Hawkins, el desafío es ofrecer precios competitivos. Si bien estas vías de producción de biocombustibles se dirigen a coches de pasajeros y camiones diésel, los investigadores de Argonne también están investigando su potencial para su uso en industrias difíciles de electrificar, como la aviación y la marítima. El objetivo es introducir los biocombustibles en el mercado en una variedad de industrias lo más rápido posible.
«El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha estado trabajando para desarrollar soluciones de descarbonización sostenible para el sector del transporte», dijo Hawkins, y los biocombustibles son una gran parte de eso. «Continuaremos expandiendo el importante trabajo de Co-Optima».
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