Foglio informativo | Una breve storia dell’ottano nella benzina: Dal piombo all’etanolo

Una pietra miliare della politica ambientale degli Stati Uniti è stata la riduzione delle emissioni nocive delle auto e dei camion. Grazie ai regolamenti EPA sulle fonti mobili, gli inquinanti atmosferici sono stati ridotti di milioni di tonnellate nell’ambiente urbano. Diversi regolamenti dell’EPA sui carburanti hanno riguardato l’ottano. L’ottano è un additivo della benzina che è necessario per il corretto funzionamento dei motori moderni. Le fonti di ottano hanno assunto molte forme nel corso degli anni, sia rinnovabili che a base di petrolio. Esse includono il piombo, il metil-ter-butil-etere (MTBE), il benzene, il toluene, l’etil-benzene e lo xilene (BTEX), e l’etanolo (un biocarburante). Poiché sono state scoperte conseguenze negative per la salute e l’ambiente per il piombo e i fornitori di ottani a base di petrolio, sono stati rimossi dalla fornitura di carburante o diminuiti. Oggi, ci sono due fonti primarie di ottano usate nella fornitura di benzina degli Stati Uniti, il complesso BTEX (un prodotto della raffinazione del petrolio comunemente chiamato benzina aromatica), e l’etanolo.

Ottano

Fig. 1: numero di ottano della benzina, come mostrato in una
tipica stazione di servizio

Il numero di ottano è una misura della capacità di un carburante di evitare il knock. Il knock si verifica quando il carburante si accende prematuramente nel cilindro del motore, il che degrada l’efficienza e può essere dannoso per il motore. Il knock è praticamente sconosciuto ai guidatori moderni. Questo è dovuto principalmente al fatto che i carburanti contengono un ossigenato che previene il knock aggiungendo ossigeno al carburante. Questo ossigenato è comunemente indicato come ottano.

Nella maggior parte delle stazioni di benzina al dettaglio, sono offerti tre gradi di ottano, 87 (regolare), 89 (medio) e 91-93 (premium). Più alto è il numero di ottano, più la miscela di benzina è resistente ai colpi. L’uso di carburanti ad alto numero di ottano permette anche rapporti di compressione più alti, la sovralimentazione e il downsizing/downspeeding, che permettono una maggiore efficienza del motore e prestazioni più elevate. Attualmente, il carburante ad alto numero di ottani è commercializzato come “premium”, ma i produttori automobilistici hanno espresso interesse ad aumentare il numero minimo di ottani negli Stati Uniti per consentire motori più piccoli e più efficienti. In questo modo si aumenterebbe l’efficienza del veicolo e si ridurrebbero i gas serra attraverso la diminuzione del consumo di petrolio.

Lead

All’inizio del 20° secolo, i produttori automobilistici erano alla ricerca di una sostanza chimica che riducesse i colpi del motore. Nel 1921, gli ingegneri automobilistici che lavoravano per la General Motors scoprirono che il piombo tetraetile (meglio conosciuto come piombo) forniva ottano alla benzina, prevenendo la botta del motore. Mentre gli idrocarburi aromatici (come il benzene) e gli alcoli (come l’etanolo) erano anch’essi noti fornitori di ottano all’epoca, il piombo fu la scelta preferita per il suo minor costo di produzione. La benzina al piombo era il tipo di carburante predominante negli Stati Uniti fino a quando l’EPA (Environmental Protection Agency) degli Stati Uniti ha iniziato a eliminarlo gradualmente a metà degli anni ’70 a causa dei gravi impatti provati sulla salute.

Benzina al piombo & Preoccupazioni per la salute

Prima del suo uso come additivo del carburante, sono state sollevate preoccupazioni per la salute riguardo all’uso del piombo nella benzina. Nel 1924, 15 lavoratori delle raffinerie del New Jersey e dell’Ohio morirono per sospetto avvelenamento da piombo. Di conseguenza, il Surgeon General sospese temporaneamente la produzione di benzina al piombo e convocò una commissione per indagare sui potenziali pericoli dell’uso del piombo nella benzina. Anche se il gruppo non ha trovato prove sufficienti di avvelenamento da piombo in un breve periodo di tempo, il gruppo ha avvertito che un’esposizione più lunga al piombo potrebbe provocare “malattie degenerative croniche di carattere meno ovvio.”

Nonostante questi avvertimenti, il Surgeon General ha stabilito uno standard volontario di contenuto di piombo, che l’industria di raffinazione ha rispettato con successo per decenni. Solo negli anni ’60, in seguito a una vasta ricerca sulla salute, sono stati stabiliti i devastanti impatti sulla salute dell’esposizione al piombo a basso livello. I corpi in via di sviluppo dei bambini sono particolarmente sensibili ai bassi livelli di esposizione ambientale al piombo. Gli impatti sulla salute dell’esposizione al piombo nei bambini includono anemia, disturbi comportamentali, basso QI, difficoltà di lettura e di apprendimento e danni ai nervi. Negli adulti, l’esposizione al piombo è associata a ipertensione e malattie cardiovascolari. Prima dell’eliminazione del piombo nella benzina, la quantità totale di piombo usata nella benzina era di oltre 200.000 tonnellate all’anno.

Fase-out della benzina al piombo negli Stati Uniti

Il Congresso ha approvato il Clean Air Act nel 1970, mettendo in moto la formazione dell’EPA e, infine, la rimozione del piombo dalla benzina. L’EPA stima che tra il 1927 e il 1987, 68 milioni di bambini sono stati esposti a livelli tossici di piombo dalla sola benzina al piombo. La graduale eliminazione del piombo dalla benzina ha successivamente ridotto il numero di bambini con livelli tossici di piombo nel sangue di 2 milioni di individui all’anno tra il 1970 e il 1987.

Tempistica della graduale eliminazione del piombo

1970: Il Congresso approva il Clean Air Act. L’EPA viene costituita e le viene data l’autorità di regolare i composti che mettono in pericolo la salute umana.

1973: L’EPA impone una riduzione graduale del contenuto di piombo in tutti i tipi di benzina.

1974: L’EPA richiede la disponibilità di almeno un grado di benzina senza piombo, per essere compatibile con i veicoli del 1975. Il piombo danneggia i convertitori catalitici usati in questi nuovi veicoli per controllare le emissioni di scarico. I convertitori catalitici sono ancora usati nei veicoli oggi.

1996: L’EPA vieta l’uso di carburante con piombo per i veicoli su strada (la benzina con piombo era scesa allo 0,6% delle vendite di benzina del 1996). Il piombo è ancora usato in alcuni carburanti per l’aviazione.

Grazie agli sforzi coordinati, il piombo è ora assente dalla benzina nella maggior parte del mondo. Dopo l’eliminazione del piombo negli Stati Uniti, l’industria della raffinazione del petrolio ha scelto di costruire una capacità di raffinazione aggiuntiva per produrre ottani da altri prodotti petroliferi, piuttosto che da fonti rinnovabili come l’etanolo.

Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE)

Il Clean Air Act Amendments (CAAA) del 1990 è stata la prossima grande regolamentazione dei combustibili. Tra le altre cose, il CAAA richiede alle aree che non soddisfano gli standard di ozono a livello del suolo di usare benzina riformulata (RFG). La RFG ha un maggiore contenuto di ossigenati, che la aiuta a bruciare più completamente. Come risultato, la RFG abbassa la formazione di precursori dell’ozono e altre sostanze tossiche dell’aria durante la combustione.

Le raffinerie di petrolio non erano obbligate a usare un particolare ossigenato nella RFG, ma alla fine degli anni ’90, un prodotto del petrolio, l’etere metilterbutilico (MTBE), era usato nell’87% della RFG grazie alla sua facilità di trasporto e di miscelazione. Nel Midwest, l’etanolo era un componente più comune della RFG. Nonostante il suo successo nel ridurre i precursori dell’ozono, l’MTBE è stato gradualmente eliminato dal pool della benzina a causa delle preoccupazioni sulla sua solubilità in acqua, che ha portato alla contaminazione delle risorse idriche in numerosi stati. A partire dal 2005, l’EPA ha riferito che l’MTBE non veniva usato in quantità significative negli Stati Uniti. Attualmente, il 30% della benzina venduta negli Stati Uniti è benzina riformulata. L’etanolo sta fornendo l’ottano aggiuntivo richiesto dalla RFG.

Timeline of MTBE Phase out

1998: L’EPA convoca un Blue Ribbon Panel, che ritiene che l’MTBE rappresenti una minaccia per le riserve di acqua freatica. All’epoca, l’U.S. Geological Survey (USGS) trova l’MTBE presente nel 20% delle riserve di acqua freatica nelle aree RFG.

2000: L’EPA annuncia l’eliminazione graduale dell’MTBE per proteggere l’acqua potabile. Allo stesso tempo, l’EPA e il Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti (USDA) chiedono un aumento nell’uso dell’etanolo per preservare la qualità dell’aria.

2000 – 2005: Diciassette stati vietano o limitano significativamente l’uso di MTBE nelle piscine di benzina.

Il complesso BTEX

Il complesso BTEX è una miscela idrocarburica di benzene, toluene, xilene ed etil-benzene. Comunemente indicati come aromatici della benzina, questi composti sono raffinati da prodotti petroliferi a basso numero di ottano in un additivo per benzina ad alto numero di ottano. Mentre un certo volume di BTEX è nativo della benzina, viene anche aggiunto alla benzina finita per aumentarne il numero di ottani. Il volume totale di BTEX (aromatici) nella benzina finita dipende dal valore di ottano desiderato e da altre proprietà desiderate del carburante.

L’aumento dell’uso dei BTEX

Una conseguenza dell’eliminazione del piombo è stato l’aumento dei BTEX nella benzina. Di fronte alla rimozione del piombo come principale fornitore di ottani nella benzina, i raffinatori avevano due alternative disponibili, BTEX ed etanolo. L’industria della raffinazione ha investito in ulteriore capacità di raffinazione per sostituire il piombo con il BTEX, un prodotto di raffinazione del petrolio ad alto numero di ottani. Come risultato della sua sostituzione del piombo, il volume di BTEX è aumentato dal 22% a circa un terzo del pool di benzina entro il 1990. Nei gradi di benzina premium, il contenuto di volume di BTEX era fino al 50 per cento. Nell’imporre carburanti più puliti, attraverso la benzina riformulata e altri programmi, l’EPA ha ridotto il volume degli aromatici tra il 25 e il 28% del pool di benzina convenzionale, anche se alcuni professionisti della salute mettono in dubbio la sicurezza anche di questi livelli.

BTEX & Preoccupazioni per la salute

Dopo il phase-out del piombo, ci furono le prime preoccupazioni per quanto riguarda il complesso BTEX. Nel 1987, il senatore Tom Daschle ha espresso preoccupazione per gli aromatici della benzina, scrivendo: “Nell’industria della benzina si sta verificando un cambiamento rivoluzionario che rappresenta una grave minaccia per l’ambiente e la salute pubblica – vale a dire l’aumento della concentrazione di benzene e altri aromatici.”

Oggi, la ricerca sanitaria suggerisce che anche l’esposizione a livelli molto bassi al complesso BTEX, da additivi della benzina e altri prodotti petroliferi, può contribuire allo sviluppo negativo, alla riproduzione e alle risposte immunologiche, nonché agli effetti cardio-polmonari. In seguito alla combustione incompleta del complesso BTEX contenuto nella benzina, si formano particolati ultrafini (UFP) e idrocarburi policiclici aromatici (PAH), che hanno il loro impatto negativo sulla salute anche a bassi livelli. Gli UFP e gli IPA sono cancerogeni e mutageni. Sia gli UFP che i PAH sono stati anche collegati a disturbi dello sviluppo e neurodegenerativi, tumori ed effetti cardiopolmonari. Una considerevole attenzione è stata data al benzene nel carburante, poiché è altamente tossico. Allo stesso tempo, la parziale sostituzione del benzene con altri composti aromatici (xilene, etil-benzene, toluene) potrebbe non essere sufficiente a ridurre l’esposizione agli effetti tossici dei BTEX.

Tempistica della regolamentazione del benzene

1990: Il Congresso approva il Clean Air Act Amendments, che, tra le altre cose, richiede di abbassare il contenuto di benzene nelle aree che non soddisfano gli standard di ozono a livello del suolo. Passato come parte del CAAA era S.1630, l’emendamento Clean Octane, che dà all’EPA l’autorità di usare “additivi benigni per sostituire gli aromatici tossici che sono ora usati per aumentare gli ottani nella benzina.”

2007: L’EPA aggiorna il Control of Hazardous Air Pollutants from Mobile Sources (MSAT2), che limita il contenuto totale di benzene nella benzina allo 0,62%, da una media dell’1,3%. Gli altri aromatici, come il toluene e lo xilene, non sono limitati.

Etanolo

I primi produttori di automobili hanno espresso interesse per i carburanti alcolici a base vegetale, come l’etanolo. Henry Ford ha progettato il primo Modello T per funzionare con etanolo. Ma, all’epoca, la benzina era un carburante molto più economico. Inoltre, la Standard Oil era “riluttante … a incoraggiare la produzione e la vendita di un combustibile competitivo prodotto da un’industria non collegata in alcun modo al petrolio”. L’industria petrolifera ha controllato il mercato dei carburanti da allora.

Durante l’embargo petrolifero del 1973, i prezzi della benzina normale senza piombo salirono del 57% e si verificarono anche carenze di benzina di routine. Questi eventi, e la regolamentazione di molti inquinanti atmosferici, hanno scatenato un rinnovato interesse per l’efficienza del carburante, i veicoli elettrici e i carburanti rinnovabili come l’etanolo, che sono stati visti come modi per soddisfare le nuove normative e ridurre il consumo di petrolio. Oggi, la maggior parte dell’etanolo negli Stati Uniti è miscelato con la benzina per produrre l’E10 (10% di etanolo, 90% di benzina). Oltre il 95% della benzina venduta negli Stati Uniti è E10.

Etanolo come potenziatore di ottani

Oltre ad avere minori emissioni di gas serra nel ciclo di vita rispetto alla benzina convenzionale, l’etanolo è un eccellente fornitore di ottani, con l’etanolo puro che ha un numero di ottani superiore a 100. Attualmente, i raffinatori creano “gas sub-ottano”, che ha un numero di ottano inferiore a quello richiesto. L’etanolo, che è generalmente il fornitore di ottano più economico, viene poi usato per portare il numero di ottano della benzina al valore di ottano indicato sull’etichetta della pompa di benzina. Per esempio, la benzina a 84 ottani è tipicamente miscelata con il 10% di etanolo per raggiungere il requisito minimo di 87 ottani per la benzina al dettaglio.

La ricerca di ulteriori ottani

Attualmente, ci sono due modi per aumentare il contenuto di ottano della benzina: aumentare il volume di benzina aromatica o aumentare il volume di etanolo.

Etanolo & Preoccupazioni per la salute

Mentre l’etanolo ha una volatilità più alta della benzina, cioè si vaporizza più velocemente, è un’alternativa più pulita ai booster di ottano a base di petrolio. Inoltre, la tossicità dell’etanolo è bassa rispetto agli effetti sulla salute dei BTEX e dei suoi prodotti di combustione, come il particolato ultrafine (UFP) e gli idrocarburi policiclici aromatici (PAH). Un modesto aumento del contenuto di etanolo nel carburante dal 10 al 15 per cento comporterebbe una riduzione anticipata del 6,6 per cento del rischio di cancro dalle emissioni di scarico.

C’è una prova contraddittoria che l’aumento del contenuto di etanolo nella benzina aumenta le emissioni di ossido di azoto (NOX), un precursore dell’ozono. Diversi studi non trovano alcuna relazione tra la miscelazione di etanolo e le emissioni di NOX, o trovano una diminuzione delle emissioni di NOX con l’aumento dei volumi di etanolo. Altri studi suggeriscono che le auto più vecchie emettono più NOX quando si usano miscele di etanolo. Tuttavia, uno studio su veicoli di marca e modello 2012 non ha trovato alcun aumento delle emissioni di NOX tra le miscele E10, E15 e E20, suggerendo che sia il design del motore che l’età del motore giocano un ruolo nelle emissioni di NOX. Nel complesso, l’effetto dell’etanolo sulle emissioni di NOX e monossido di carbonio (CO) è minore nei sistemi di controllo delle emissioni dei motori più recenti.

Timeline of Ethanol Phase-In

1975: Il Congresso approva l’Energy Policy and Conservation Act (EPAct), stabilendo gli standard Corporate Average Fuel Economy (CAFE) per auto e camion.

1988: L’Alternative Motor Fuels Act stabilisce incentivi nell’ambito del CAFE per i veicoli a carburante alternativo.

1992: L’Energy Policy Act del 1992 definisce i carburanti alternativi e stabilisce programmi a livello federale per aumentare l’uso e la ricerca di carburanti alternativi.

2005: Il Congresso approva l’Energy Policy Act del 2005, che stabilisce il Renewable Fuel Standard (RFS). L’RFS stabilisce un volume minimo di biocarburanti rinnovabili da miscelare nella fornitura di carburante per il trasporto.

2007: Il Congresso approva l’Energy Independence and Security Act (EISA), aumentando significativamente il volume di carburanti rinnovabili richiesti dalla RFS, fino a 36 miliardi di galloni entro il 2022.

2013: Citando la mancanza di infrastrutture per i combustibili rinnovabili, l’EPA propone di ridurre il volume dei combustibili rinnovabili sotto la RFS.

2015: L’amministrazione stabilisce i volumi di carburante rinnovabile per il 2014 – 2016. I volumi finali di carburante rinnovabile per il 2016 sono 18,11 miliardi di galloni, fissati a circa 1 miliardo di galloni in più rispetto alla proposta del 2013, e a poco più del 10% della fornitura di carburante. Questo include le categorie di carburanti rinnovabili, biocarburanti cellulosici, biocarburanti avanzati e diesel a base di biomassa.

Conclusioni

Il piombo e vari prodotti petroliferi hanno fornito ottani alla benzina per oltre 100 anni, ma l’evoluzione della salute e le preoccupazioni ambientali hanno portato i politici a riconsiderare l’uso diffuso di molti di questi composti. Mentre gli Stati Uniti cercano di ridurre l’intensità di gas serra del settore dei trasporti, l’aumento del valore di ottano della benzina è una strada promettente, in quanto permetterebbe motori più efficienti dal punto di vista dei consumi. Ma bisogna considerare anche gli impatti sulla salute e sull’ambiente delle fonti di ottano utilizzate. Aggiungendo l’etanolo alla benzina finita, chiamato “splash blending”, le valutazioni di ottano possono essere aumentate mentre simultaneamente si abbassano le fonti tossiche di ottano.

Una transizione nazionale verso una miscela di etanolo ottimizzata di medio livello, tra E25 (25 per cento etanolo, 75 per cento benzina) e E40 (40 per cento etanolo), abbasserebbe i costi del carburante per i consumatori e standardizzerebbe la fornitura di carburante. Il Dipartimento dell’Energia riconosce che l’aumento del contenuto di etanolo nella benzina è un potenziale percorso per aumentare il numero di ottano della fornitura di benzina. Una miscela di etanolo di livello medio permetterebbe la progettazione di motori ad alta efficienza di carburante che ridurrebbero significativamente il consumo di petrolio, ridurrebbero le emissioni di gas serra del ciclo di vita e aiuterebbero a soddisfare standard più elevati di economia di carburante. A partire da ora, il Dipartimento dell’Energia e l’EPA hanno approvato l’uso di E15 per i veicoli di marca e modello del 2001 e più recenti, che rappresentano l’80% dei veicoli sulla strada oggi.