Hoja informativa | Breve historia del octanaje en la gasolina: Del plomo al etanol
Una de las piedras angulares de la política medioambiental de Estados Unidos ha sido la reducción de las emisiones nocivas del tubo de escape de los coches y camiones. Gracias a las regulaciones de la EPA sobre las fuentes móviles, los contaminantes atmosféricos se han reducido en millones de toneladas en el entorno urbano. Varias regulaciones de la EPA sobre los combustibles han tenido que ver con el octanaje. El octano es un aditivo de la gasolina necesario para el buen funcionamiento de los motores modernos. Las fuentes de octano han adoptado muchas formas a lo largo de los años, tanto renovables como basadas en el petróleo. Entre ellas se encuentran el plomo, el éter butílico terciario de metilo (MTBE), el benceno, el tolueno, el etilbenceno y el xileno (BTEX), y el etanol (un biocombustible). A medida que se han ido descubriendo las consecuencias adversas para la salud y el medio ambiente de los proveedores de octanaje basados en el petróleo, se han eliminado del suministro de combustible o se han reducido. En la actualidad, hay dos fuentes principales de octanaje utilizadas en el suministro de gasolina de Estados Unidos, el complejo BTEX (un producto del refinado del petróleo comúnmente conocido como aromáticos de la gasolina), y el etanol.
Octano
Fig. 1: octanaje de la gasolina, tal y como se muestra en una
gasolinera típica
El octanaje es una medida de la capacidad de un combustible para evitar el golpeteo. El golpeteo se produce cuando el combustible se enciende prematuramente en el cilindro del motor, lo que degrada la eficiencia y puede ser perjudicial para el motor. El golpeteo es prácticamente desconocido para los conductores modernos. Esto se debe principalmente a que los combustibles contienen un oxigenado que evita el golpeteo al añadir oxígeno al combustible. Este oxigenado se denomina comúnmente octanaje.
En la mayoría de las estaciones de servicio, se ofrecen tres grados de octanaje, 87 (regular), 89 (grado medio) y 91-93 (premium). Cuanto más alto sea el octanaje, más resistente será la mezcla de gasolina a los golpes. El uso de combustibles de mayor octanaje también permite aumentar las relaciones de compresión, la turboalimentación y la reducción de tamaño/velocidad, todo lo cual permite una mayor eficiencia del motor y un mayor rendimiento. En la actualidad, el combustible de alto octanaje se comercializa como «premium», pero los fabricantes de automóviles han expresado su interés en aumentar el octanaje mínimo en Estados Unidos para permitir motores más pequeños y eficientes. Esto aumentaría la eficiencia de los vehículos y reduciría los gases de efecto invernadero al disminuir el consumo de petróleo.
El plomo
A principios del siglo XX, los fabricantes de automóviles buscaban una sustancia química que redujera el golpeteo del motor. En 1921, los ingenieros de automoción que trabajaban para General Motors descubrieron que el tetraetilo de plomo (más conocido como plomo) aportaba octanaje a la gasolina, evitando el golpeteo del motor. Aunque los hidrocarburos aromáticos (como el benceno) y los alcoholes (como el etanol) también proporcionaban octanaje en aquella época, el plomo fue la opción preferida debido a su menor coste de producción. La gasolina con plomo fue el tipo de combustible predominante en Estados Unidos hasta que la Agencia de Protección Medioambiental (EPA) comenzó a eliminarla a mediados de la década de 1970 debido a los graves efectos demostrados sobre la salud.
Gasolina con plomo & Preocupaciones sobre la salud
Al principio de su uso como aditivo para el combustible, surgieron preocupaciones sobre la salud en relación con el uso del plomo en la gasolina. En 1924, 15 trabajadores de refinerías de Nueva Jersey y Ohio murieron por un supuesto envenenamiento por plomo. Como resultado, el Cirujano General suspendió temporalmente la producción de gasolina con plomo y convocó un panel para investigar los peligros potenciales del uso de plomo en la gasolina. Aunque el panel no encontró pruebas suficientes de envenenamiento por plomo en un periodo corto de tiempo, el panel advirtió que una exposición más prolongada al plomo podría dar lugar a «enfermedades degenerativas crónicas de carácter menos evidente»
A pesar de estas advertencias, el Cirujano General estableció una norma voluntaria de contenido de plomo, que la industria de refinado cumplió con éxito durante décadas. No fue hasta la década de 1960, tras una amplia investigación sanitaria, cuando se establecieron los devastadores efectos sobre la salud de la exposición a bajos niveles de plomo. Los cuerpos en desarrollo de los niños son especialmente sensibles a las exposiciones ambientales de bajo nivel al plomo. Los efectos de la exposición al plomo en la salud de los niños incluyen anemia, trastornos del comportamiento, bajo coeficiente intelectual, problemas de lectura y aprendizaje, y daños en los nervios. En los adultos, la exposición al plomo se asocia con la hipertensión y las enfermedades cardiovasculares. Antes de la eliminación del plomo en la gasolina, la cantidad total de plomo utilizada en la gasolina era de más de 200.000 toneladas al año.
La eliminación de la gasolina con plomo en Estados Unidos
El Congreso aprobó la Ley de Aire Limpio en 1970, poniendo en marcha la formación de la EPA y, finalmente, la eliminación del plomo de la gasolina. La EPA calcula que entre 1927 y 1987, 68 millones de niños estuvieron expuestos a niveles tóxicos de plomo sólo por la gasolina con plomo. La eliminación progresiva del plomo de la gasolina redujo posteriormente el número de niños con niveles tóxicos de plomo en la sangre en 2 millones de individuos al año entre 1970 y 1987.
Línea de tiempo de la eliminación del plomo
1970: El Congreso aprueba la Ley de Aire Limpio. Se crea la EPA y se le otorga la autoridad para regular los compuestos que ponen en peligro la salud humana.
1973: La EPA impone una reducción progresiva del contenido de plomo en todos los tipos de gasolina.
1974: La EPA exige la disponibilidad de al menos un grado de gasolina sin plomo, para que sea compatible con los vehículos de la marca y modelo de 1975. El plomo daña los convertidores catalíticos utilizados en estos nuevos vehículos para controlar las emisiones del tubo de escape. Los convertidores catalíticos se siguen utilizando en los vehículos actuales.
1996: La EPA prohíbe el uso de combustible con plomo para los vehículos de carretera (la gasolina con plomo se redujo al 0,6% de las ventas de gasolina de 1996). El plomo se sigue utilizando en algunos combustibles para la aviación.
Gracias a los esfuerzos coordinados, el plomo está ahora ausente de la gasolina en la mayor parte del mundo. Tras la eliminación del plomo en Estados Unidos, la industria de refinado de petróleo optó por construir una capacidad de refinado adicional para producir octanaje a partir de otros productos petrolíferos, en lugar de hacerlo a partir de fuentes renovables como el etanol.
Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE)
Las Enmiendas a la Ley de Aire Limpio (CAAA) de 1990 fueron la siguiente regulación importante de los combustibles. Entre otras cosas, la CAAA exige que las zonas que no cumplen las normas sobre el ozono troposférico utilicen gasolina reformulada (RFG). La RFG tiene un mayor contenido de oxigenados, lo que ayuda a que se queme más completamente. Como resultado, la RFG reduce la formación de precursores del ozono y otros tóxicos atmosféricos durante la combustión.
Las refinerías de petróleo no estaban obligadas a utilizar ningún oxigenado en particular en la RFG, pero a finales de la década de 1990, un producto del petróleo, el éter butílico terciario de metilo (MTBE), se utilizaba en el 87% de la RFG debido a su facilidad de transporte y mezcla. En el Medio Oeste, el etanol era un componente más común del RFG. A pesar de su éxito en la reducción de los precursores del ozono, el MTBE fue eliminado del conjunto de la gasolina debido a la preocupación por su solubilidad en el agua, lo que provocó la contaminación de los recursos hídricos en numerosos estados. En 2005, la EPA informó de que el MTBE no se utilizaba en cantidades significativas en Estados Unidos. Actualmente, el 30% de la gasolina vendida en Estados Unidos es gasolina reformulada. El etanol proporciona el octanaje adicional requerido por la RFG.
Línea de tiempo de la eliminación del MTBE
1998: La EPA convoca un panel de expertos (Blue Ribbon Panel), que considera que el MTBE supone una amenaza para los suministros de agua subterránea. En ese momento, el Servicio Geológico de EE.UU. (USGS) descubre que el MTBE está presente en el 20 por ciento de los suministros de agua subterránea en las zonas RFG.
2000: La EPA anuncia la eliminación progresiva del MTBE para proteger el agua potable. Al mismo tiempo, la EPA y el Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA) piden un aumento del uso del etanol para preservar la calidad del aire.
2000 – 2005: Diecisiete estados prohíben o limitan significativamente el uso de MTBE en las gasolinas.
El complejo BTEX
El complejo BTEX es una mezcla de hidrocarburos compuesta por benceno, tolueno, xileno y etilbenceno. Comúnmente conocidos como aromáticos de la gasolina, estos compuestos se refinan a partir de productos petrolíferos de bajo octanaje para convertirlos en un aditivo de la gasolina de alto octanaje. Aunque parte del volumen de BTEX es nativo de la gasolina, también se añade a la gasolina terminada para aumentar su octanaje. El volumen total de BTEX (aromáticos) en la gasolina terminada depende del octanaje deseado y de otras propiedades deseadas del combustible.
El aumento del uso de BTEX
Una consecuencia de la eliminación del plomo fue el aumento de BTEX en la gasolina. Ante la eliminación del plomo como principal proveedor de octanaje en la gasolina, los refinadores tenían dos alternativas disponibles, el BTEX y el etanol. La industria de refinado invirtió en capacidad de refinado adicional para sustituir el plomo por el BTEX, un producto de refinado de petróleo de alto octanaje. Como resultado de su sustitución por el plomo, el volumen de BTEX pasó del 22% a aproximadamente un tercio de la gasolina en 1990. En las gasolinas de alta calidad, el volumen de BTEX llegó a ser del 50%. Al exigir combustibles más limpios, a través de la gasolina reformulada y otros programas, la EPA ha reducido el volumen de aromáticos a entre el 25 y el 28 por ciento del conjunto de la gasolina convencional, aunque algunos profesionales de la salud cuestionan la seguridad incluso de estos niveles.
BTEX & Preocupaciones sobre la salud
Después de la eliminación del plomo, hubo preocupaciones tempranas con respecto al complejo BTEX. En 1987, el senador Tom Daschle expresó su preocupación por los aromáticos de la gasolina, escribiendo: «Se está produciendo un cambio revolucionario en la industria de la gasolina que supone una grave amenaza para el medio ambiente y la salud pública, a saber, el aumento de la concentración de benceno y otros aromáticos»
Hoy en día, las investigaciones sobre la salud sugieren que incluso una exposición de muy bajo nivel al complejo BTEX, procedente de los aditivos de la gasolina y otros productos del petróleo, puede contribuir a respuestas negativas en materia de desarrollo, reproducción e inmunología, así como a efectos cardiopulmonares. Tras la combustión incompleta del complejo BTEX contenido en la gasolina, se forman partículas ultrafinas (UFP) e hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), que conllevan sus propios impactos adversos para la salud incluso a niveles bajos. Los UFP y los HAP son cancerígenos y mutagénicos. Tanto los UFP como los HAP se han relacionado con trastornos del desarrollo y neurodegenerativos, cánceres y efectos cardiopulmonares. Se ha prestado mucha atención al benceno en el combustible, ya que es muy tóxico. Al mismo tiempo, la sustitución parcial del benceno por otros compuestos aromáticos (xileno, etilbenceno, tolueno) puede no ser suficiente para reducir la exposición a los efectos tóxicos de los BTEX.
Línea de tiempo de la regulación del benceno
1990: El Congreso aprueba las Enmiendas a la Ley de Aire Limpio, que, entre otras cosas, exigen reducir el contenido de benceno en las zonas que no cumplen las normas de ozono a nivel del suelo. Como parte de la CAAA se aprobó la S.1630, la enmienda del Octanaje Limpio, que otorga a la EPA la autoridad para utilizar «aditivos benignos que sustituyan a los aromáticos tóxicos que ahora se utilizan para aumentar el octanaje de la gasolina»
2007: La EPA actualiza el Control de Contaminantes Atmosféricos Peligrosos procedentes de Fuentes Móviles (MSAT2), que limita el contenido total de benceno en la gasolina al 0,62%, frente al 1,3% de media. Los demás aromáticos, como el tolueno y el xileno, no están limitados.
Etanol
Los primeros fabricantes de automóviles manifestaron su interés por los combustibles alcohólicos de origen vegetal, como el etanol. Henry Ford diseñó el primer Modelo T para que funcionara con etanol. Pero, en aquella época, la gasolina era un combustible mucho más barato. Además, la Standard Oil era «reacia… a fomentar la fabricación y venta de un combustible competitivo producido por una industria que no está relacionada con el petróleo». La industria petrolera ha controlado el mercado de los combustibles desde entonces.
Durante el embargo de petróleo de 1973, los precios de la gasolina normal sin plomo se dispararon un 57% y también se produjo una escasez rutinaria de gasolina. Estos acontecimientos, y la regulación de muchos contaminantes atmosféricos, despertaron un renovado interés por la eficiencia de los combustibles, los vehículos eléctricos y los combustibles renovables, como el etanol, que se consideraron formas de cumplir las nuevas regulaciones y reducir el consumo de petróleo. Hoy en día, la mayor parte del etanol en Estados Unidos se mezcla con gasolina para producir E10 (10% de etanol, 90% de gasolina). Más del 95% de la gasolina que se vende en Estados Unidos es E10.
El etanol como potenciador del octanaje
Además de tener un ciclo de vida con menos emisiones de gases de efecto invernadero que la gasolina convencional, el etanol es un excelente proveedor de octanaje, ya que el etanol puro tiene un octanaje superior a 100. En la actualidad, las refinerías crean «gasolina de sub-octano», que tiene un octanaje inferior al requerido. El etanol, que suele ser el proveedor de octanaje más barato, se utiliza entonces para elevar el octanaje de la gasolina hasta el valor de octanaje etiquetado en el surtidor. Por ejemplo, la gasolina de 84 octanos suele mezclarse con un 10 por ciento de etanol para alcanzar el octanaje mínimo requerido de 87 para la gasolina de venta al público.
La búsqueda de octanaje adicional
Actualmente, hay dos formas de aumentar el octanaje de la gasolina: aumentar el volumen de aromáticos de la gasolina o aumentar el volumen de etanol.
Etanol & Preocupaciones de salud
Si bien el etanol tiene una mayor volatilidad que la gasolina, lo que significa que se vaporiza más rápidamente, es una alternativa de combustión más limpia a los aumentadores de octanaje basados en el petróleo. Además, la toxicidad del etanol es baja en comparación con los efectos sobre la salud de los BTEX y sus productos de combustión, como las partículas ultrafinas (UFP) y los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH). Un modesto aumento del contenido de etanol en el combustible del 10 al 15 por ciento supondría una reducción prevista del 6,6 por ciento del riesgo de cáncer derivado de las emisiones del tubo de escape.
Existen pruebas contradictorias de que el aumento del contenido de etanol en la gasolina aumenta las emisiones de óxido nitroso (NOX), un precursor del ozono. Varios estudios no encuentran ninguna relación entre la mezcla de etanol y las emisiones de NOX, o encuentran una disminución de las emisiones de NOX con el aumento de los volúmenes de etanol. Otros estudios sugieren que los coches más antiguos emiten más NOX cuando utilizan mezclas de etanol. Sin embargo, un estudio de vehículos de marca y modelo 2012 no encontró ningún aumento en las emisiones de NOX entre las mezclas de E10, E15 y E20, lo que sugiere que tanto el diseño como la edad del motor juegan un papel en las emisiones de NOX. En general, el efecto del etanol en las emisiones de NOX y monóxido de carbono (CO) es menor en los sistemas de control de emisiones de los motores más nuevos.
Línea de tiempo de la introducción del etanol
1975: El Congreso aprueba la Ley de Política Energética y Conservación (EPAct), que establece las normas de Economía de Combustible Media Corporativa (CAFE) para coches y camiones.
1988: La Ley de Combustibles Alternativos para Motores establece incentivos en el marco de la CAFE para los vehículos con combustibles alternativos.
1992: La Ley de Política Energética de 1992 define los combustibles alternativos y establece programas a nivel federal para aumentar el uso y la investigación de los combustibles alternativos.
2005: El Congreso aprueba la Ley de Política Energética de 2005, que establece el Estándar de Combustibles Renovables (RFS). El RFS establece un volumen mínimo de biocombustibles renovables que deben mezclarse en el suministro de combustible para el transporte.
2007: El Congreso aprueba la Ley de Independencia y Seguridad Energética (EISA), que aumenta significativamente el volumen de combustibles renovables exigido por el RFS, hasta 36.000 millones de galones para 2022.
2013: Citando la falta de infraestructura de combustibles renovables, la EPA propone reducir el volumen de combustibles renovables bajo el RFS.
2015: La Administración establece los volúmenes de combustibles renovables para 2014 – 2016. Los volúmenes finales de combustibles renovables para 2016 son de 18.110 millones de galones, fijados en aproximadamente 1.000 millones de galones más que la propuesta de 2013, y en algo más del 10% del suministro de combustible. Esto incluye las categorías de combustibles renovables, biocombustibles celulósicos, biocombustibles avanzados y diésel a base de biomasa.
Conclusiones
El plomo y varios productos derivados del petróleo han proporcionado octanaje a la gasolina durante más de 100 años, pero la evolución de las preocupaciones sanitarias y medioambientales ha llevado a los responsables políticos a reconsiderar el uso generalizado de muchos de estos compuestos. En un momento en el que Estados Unidos intenta reducir la intensidad de los gases de efecto invernadero en el sector del transporte, el aumento del octanaje de la gasolina es una vía prometedora, ya que permitiría que los motores fueran más eficientes en cuanto al consumo de combustible. Pero también hay que tener en cuenta el impacto sanitario y medioambiental de las fuentes de octanaje utilizadas. Añadiendo etanol a la gasolina terminada, lo que se denomina «splash blending», se puede aumentar el octanaje y, al mismo tiempo, reducir las fuentes de octanaje tóxicas.
Una transición nacional a una mezcla optimizada de etanol de nivel medio, entre el E25 (25 por ciento de etanol, 75 por ciento de gasolina) y el E40 (40 por ciento de etanol), reduciría los costes del combustible para el consumidor y estandarizaría el suministro de combustible. El Departamento de Energía reconoce que el aumento del contenido de etanol en la gasolina es una vía potencial para aumentar el octanaje del suministro de gasolina. Una mezcla de etanol de nivel medio permitiría el diseño de motores de alta eficiencia de combustible que reducirían significativamente el consumo de petróleo, reducirían las emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida, y ayudarían a cumplir con las normas de economía de combustible más altas. Por el momento, el Departamento de Energía y la EPA han aprobado el uso del E15 para los vehículos de marca y modelo del año 2001 y posteriores, que representan el 80% de los vehículos que circulan hoy en día.