RESEÑA: EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO Y LA EMISIÓN DE LA MEZCLA DIESEL-BIODIESEL-ETANOL/BIOETANOL COMO COMBUSTIBLE EN LOS MOTORES DIESEL

S.A. Shahir, H.H. Masjuki, M.A. Kalam, A. Imran, A.M. Ashraful

Centro de Ciencias de la Energía (CFES), Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, University of Malaya, 50603 Kuala

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INFORMACIÒN DEL ARTÌCULO

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Historial del artículo:

Recibido el 3 de Julio de 2014Recibido después de revisión el24 de Noviembre de 2014Aceptado el 8 de Marzo de 2015Disponible en línea desde el 3 de Abril de 2015

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Palabras clave:

Mezcla diesel–biodiesel–etanol/bioetanolMezcla ternariaNOxCOCO2

Emisión no regulada

R E S U M E N

El objetivo de esta reseña es estudiar las oportunidades y perspectivas de introducir la mezcla diesel–biodiesel–etanol/bioetanol como combustible en un motor diesel actual. El estudio está basado en las emisiones y el rendimiento del motor. Las políticas de energía y la siempre creciente demanda de energía en el mundo, requiere una alternativa a los combustibles fósiles. En esta búsqueda, la mezcla diesel-etanol o la mezcla de dieshol podría ser una buena opción. Pero esta mezcla posee problemas de estabilidad así como propiedades físico-químicas inferiores cuando es comparado con el diesel y necesita aditivos para mantenerse estable. Cuando el biodiesel es utilizado como aditivo en la mezcla diesohol, mejora las propiedades físico-químicas de la mezcla ternaria, el rendimiento en el motor y también incrementa la como porción renovable en la mezcla. Primero son acumulados los datos respecto al desempeño y emisiones del motor usando la mezcla ternaria diesel-biodiesel-etanol/bioetanol. Luego, los resultados de los científicos e investigadores son discutidos para evaluar su potencial como alternativa al combustible fósil que es el diesel. Las propiedades físico-químicas de mezclas ternarias son halladas para ser casi similares al combustible diesel. Estas mezclas ternarias reducen significantemente las emisiones de PM (materia particular) provenientes del motor diesel, pero la emisión de NOx(óxidos de nitrógeno), hollín y humo, HC(hidrocarburos), CO (monóxido de carbono), CO2 (dióxido de carbono) y compuestos carbonílicos dependen de las condiciones de operación del motor y permanecen casi similares a los gases de escape del combustible diesel.

CONTENIDO

1. Introducción...................................................................................................................................... 632. Desempeño...................................................................................................................................... 63

2.1. Poder y torque.......................................................................................................................... 632.2. Consumo específico de combustible en el motor (BSFC)........................................................ 632.3 Eficiencia térmica en el motor................................................................................................... 64

3. Emisiones......................................................................................................................................... 643.1. Hollín y humo.............................................................................................................................. 643.2.Óxidos de nitrógeno (NOx).......................................................................................................... 653.3. Monóxido de carbono (CO)......................................................................................................... 663.4. Dióxido de carbono (CO2)........................................................................................................... 673.5. Hidrocarburos (HC)..................................................................................................................... 683.6. Materia particular (PM)................................................................................................................. 693.7. Emisiones no reguladas.............................................................................................................. 703.8 Dióxido de sulfuro (SO2).............................................................................................................. 763.9 Temperatura del gas a la salida.................................................................................................. 76

4. Conclusiones...................................................................................................................................... 76___________Abreviaturas:CI, encendido por compresión; EtOH, etanol; BD, biodiesel; SBD, biodiesel a base de haba de soja; B10E5, mezcla ternaria de 85% diesel, 10% biodiesel y 5% etanol; B10E10, mezcla de 80% diesel, 10% biodiesel, 10% etanol; B10E15, mezcla ternaria de 75% diesel, 10% biodiesel, 15% etanol; B10: mezcla binaria de 90% diesel y 10% biodiesel;CA50: ángulo del cigüeñal 50º; BTDC, fondo del punto muerto superior; RPM, revoluciones por minuto; EGR, recirculación del gas de escape; HC, hidrocarburo; PM, materia particular; SFC, consumo especifico de combustible.

Reconocimiento................................................................................................................................ 76

Referencias...................................................................................................................................... 76

1. Introducción

La rápida industrialización ha incrementado la demanda de combustibles fusiles como nunca antes. Pero las reservas de combustibles fósiles se están agotando a un ritmo alarmante alrededor del mundo. Las nuevas reservas encontradas usando la tecnología más desarrollada no son suficientes para equiparar su creciente demanda. Por lo tanto, es menester encontrar recursos alternativos. Por otra parte, los combustibles utilizados en el transporte están sujetos a normas de regulación cada vez más estrictas. En esta búsqueda es una necesidad urgente el reemplazar los combustibles fósiles a la par de mantener un medio ambiente limpio. Los esfuerzos de investigación han sido enfocados hacia el descubrimiento de fuentes de combustible alternativo económico y así reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Estas búsquedas nos han conducido a combustibles alternativos y económicamente viables los cuáles también son amigables con el medio ambiente. Entre los combustibles alternativos propuestos para motores diesel, el biodiesel y la mezcla diesel-etanol/bioetanol ha ganado mucha notoriedad en años recientes. Esta atención se debe al hecho de que ambas alternativas son fuentes de energía renovables y pueden ser producidas domésticamente. Por otra parte, los estudios han mostrado que la reducción de CO, hidrocarburos no combustionados y emisiones de PM de los motores diesel puede ser lograda usando estos combustibles renovables [1–4]. El biodiesel está compuesto principalmente por ésteres de metilo de triglicéridos obtenidos a partir de grasas animales y aceite virgen o usando aceites vegetales (tanto comestibles como no comestibles) [5]. Puede ser usando en motores diesel como un combustible simple o como una mezcla diesel-biodiesel. Esto requiere ligeras modificaciones del motor o quizá ninguna [5,6]. El etanol también es una interesante alternativa como combustible renovable. Pero no puede ser usado como único elemento de un combustible por ello es mezclado con diesel lo cual resulta en un combustible oxigenado. Esta mezcla etanol y diesel también se conoce como diesohol/e-diesel. El diesohol tiene ciertas ventajas [7,8]. Ya es conocido que añadiendo etanol/bioetanol al combustible diesel incrementa el retraso de la ignición, incrementa el rango velocidad de combustión premezclada, incrementa la eficiencia térmica y reduce el escape de humo, La solubilidad de la mezcla etanol/bioetanol en el combustible diesel es principalmente afectada por la composición de hidrocarburos en el diesel, la temperatura y el agua contenida en la mezcla[9–11].Sin embargo, hay algunas barreras técnicas en el uso directo de mezclas diesel-etanol en la CI del motor. Muchos investigadores han probado dichas mezclas con diferentes aditivos (emulsionantes) pero todas las mezclas contenían pequeñas cantidades de etanol y los aditivos tan solo pueden mejorar la solubilidad pero otras propiedades de la mezcla no son afectadas [12–16]. El bajo punto de inflamación de esta mezcla sin biodiesel, es otro problema crítico, lo que obstaculiza la aplicación de esta mezcla en el CI del motor y los estudios no han mostrado efecto alguno de los emulsionantes respecto a esta propiedad [17]. Cuando el biodiesel es añadido a esta mezcla diesel-etanol entonces la solubilidad del etanol en el combustible diesel se incrementa en un amplio rango de temperatura al mismo tiempo que mejora las propiedades físico-químicas de la mezcla [8,18]. Esta mezcla es estable muy por debajo de temperaturas bajo cero[8,19] y tiene propiedades iguales o superiores al combustible diesel corriente [8,20]. Estudios han mostrado que la mezcla diesel-biodiesel-etanol/bioetanol ha mejorado las propiedades físico-químicas en comparación a las mezclas diesel-biodiesel o diesel-etanol/bioetanol separadamente [8,21]. Esta mezcla tiene mejor tolerancia y estabilidad respecto al agua que la mezcla diesel-etanol [2]. Algunos investigadores estudiaron esta mezcla con etanol hidratado (≥95% EtOH + ≤5% agua) [20] mientras algunos de ellos usaron etanol anhidro (≥99% EtOH + ≤1 agua) [18,22–24].

A partir de estudios previos resulta obvio que para obtener mejores propiedades físico-químicas el etanol anhidro debe ser usado en mezclas ternarias [8] pero la cantidad de etanol debe ser determinada en mezclas ternarias para demostrar mejor desempeño. Investigadores han usado alrededor de 40% etanol en una sola mezcla ternaria con 10% biodiesel y 50% diesel [25] mientras que algunos de ellos usaron un máximo de 80% biodiesel en una sola mezcla ternaria con 10% etanol y 10% diesel [26]. Sus resultados mostraron muy buenos rendimientos respecto esta mezcla ternaria. Aunque muchos investigadores reportaron buen rendimiento de esta mezcla, también hay muchos de ellos quienes reportaron un muy alto BSFC y emisiones de esta mezcla. Así que es necesario evaluar los trabajos de investigación hechos sobre esta mezcla para llegar a una conclusión respecto a su rendimiento/desempeño. El presente estudio hace una reseña de la literatura, en la evaluación del poder, torque, consume de combustible, eficiencia y emisiones (hollín, humo, NOx, CO, CO2, HC, PM, emisiones no reguladas, dióxido de sulfuro y la temperatura del gas en el escape) de esta mezcla ternaria, encontrada de varios investigadores alrededor del mundo. En esta reseña, los datos de estudios de investigación llevados a cabo para evaluar mezclas diesel-biodiesel-etanol/bioetanol han sido recolectados, resumidos y comparados para destacar el potencial de esta mezcla como una alternativa al combustible diesel.

2. Desempeño

2.1. Poder y torque

La mezcla diesel–biodiesel–etanol reduce el poder del motor y el torque a la salida disminuyen mientras la porción de compuestas oxigenados (biodiesel y etanol/bioetanol) en la mezcla va aumentando [27]. Esto es debido al bajo número de cetano y valor calorífico y alto retraso en la ignición de la mezcla, comparada con el combustible diesel [15]. Cheenkachorn y Fungtammasan [22] encontraron aproximadamente entre 4.4-8.7% de reducción en la salida de poder utilizando mezclas diesel biodiesel-etanol comparado con el combustible diesel corriente. Por lo tanto, usando estas mezclas sin ningún aditivo reduce el poder del motor y el torque en la salida. Esta reducción en el torque y el poder puede ser mejorada y las características de combustión también ser optimizadas mediante el uso de aditivos en estas mezclas [24]. En caso no usarse ningún aditivo, la porción de etanol/bioethanol deberá mantenerse tan baja como sea posible.

2.2 Consumo específico de combustible en el motor(BSFC)

El BSFC de una mezcla de combustible refleja algunas de las propiedades físico-químicas como el poder calorífico y la densidad de la misma. En teoría, el BSFC de una mezcla de combustible aumenta (comparado con el combustible diésel), mientras el contenido de energía disminuye. Debido al bajo poder calorífico del etanol y el biodiesel, el poder calorífico de la mezcla consiste de estos tres componentes es un poco más bajo en comparación con el combustible diesel. Este bajo poder calorífico de las mezclas diesel–biodiesel–etanol/ bioetanol incrementa el BSFC. Este incremento de BSFC depende del contenido de biocombustible (etanol y biodiesel) en la mezcla. Mientras la porción de biodiesel aumente, el BSFC también aumenta [25–31]. Pero existen algunos investigadores, quienes estudiaron un BSFC reducido al inicio pero nuevamente se toparon con el aumento en el incremento de velocidades [27]. La diferencia entre BSFC del diésel y las mezclas diésel-biodiesel-etanol es máxima cuando la carga es pequeña/baja [28] y alta [26] en el motor. En condiciones de carga baja, Barabás y otros [18,28] hallaron este incremento con un máximo de 32.4% con un 30% de contenido de biocombustible. Y en condiciones de carga alta, Subbaiah y otros [26] hallaron un incremento máximo de 40% pero en total encontraron 26.97%, 31.33% y 35.33% de incremento en el

BSFC para las mezclas B10E5, B10E10 y B10E15, respectivamente.

Nuevamente algunos investigadores, los cuáles encontraron despreciable esta diferencia [2], mientras que algunos de ellos encontraron una disminución del BSFC con estas mezclas [23]. Algunos investigadores estudiaron el efecto de una sincronización diferente de la inyección en el BSFC de mezclas ternarias y encontraron un efecto muy pequeño [25]. En lugar de diesel, cuando Pidol y otros [32] probaron el combustible Fischer Tropsch en la mezcla diesel–biodiesel–etanol, también encontraron de 6% a 11% de incremento en el BSFC a 1500 y 2500 rpm. Y al usar diesel corriente e iso-pentano como aditivo, reportaron el BSFC aún más alto, aproximadamente 50%. Este incremento en el BSFC es debido a la combustión ineficiente. E incluso al incrementar el rango de EGR, se observó una combustión más deteriorada, la cual conduce al fallo en el encendido. La Tabla 1 muestra que, a condiciones de carga baja, media y alta el máximo increment en el BSFC podría ser 32.4%, 33% y 40%, respectivamente. Pero cuando se observa el BSFC general de un motor trabajando con mezclas, encontramos una pequeña diferencia con el combustible diesel. Por lo tanto, la porción de (biodiesel y ethanol) en la mezcla ternaria debe mantenerse tal bajo como sea posible, especiamente el etanol que regula el BSFC en el motor.

2.3. Eficiencia térmica en el motor (BTE)

Subbaiah y otros [26] encontraron un alto BTE para todas las mezclas diesel– biodiesel–etanol en comparación con el combustible diesel corriente en todas las condiciones de carga. Esto probablemente se deba al retraso extendido en la ignición y la combustión más fina del biocombustible. También observaron que el BTE incrementa mientras el etanol en la mezcla aumenta. Compararon los resultados obtenidos para la mezcla diesel–biodiesel–etanol con la mezcla de B10. Encontraron que el BTE para las mezclas diesel–biodiesel–etanol incrementaron 1.5%, 2.2% y 2.91% para las mezclas de B10E5, B10E10 y B10E15 respectivamente comparadas con la mezcla B10. El BTE máximo fue de 28.2% para la mezcla B10E15, la cual es 3.67% más alta que el diesel en todas las cargas en el motor. También algunos investigadores encontraron que el BTE de las mezclas ternarias es más bajo que el del combustible diesel [18]. Esta disminución se encuentra entre 1.3% and 21.7%. Nuevamente, cuando solo 10% de diesel y 10% de etanol es usado en mezclas ternarias, es cuando el rendimiento de la mezcla se vuelve idéntico al del

combustible diesel [21]. Este fenómeno es observado únicamente

cuando se tienen condiciones de carga parcial, pero a condiciones de carga completa se observa un

rendimiento superior. Por lo tanto,

podemos que que el BTE se incremente aún cuando la porción de diesel en la mezcla ternaria es muy baja. Aunque algunos trabajos de investigación encontraron que el BTE disminuye en un porcentaje pequeño al usar la mezcla.

3. Emisiones

3.1. Hollín y humo

Entre los components de la material particular, el hollin es conocido como la principal razón detrás de la opacidad del humo. Los compuestos oxigenados tienen un efecto remarkable en la reducción de humo, cuando es añadido al combustible diesel. Por lo tanto, gran cantidad de etanol y biodiesel añadido al combustible diesel reduce el humo. La información toma lugar principalmente en la zona rica en combustible donde la temperatura y presión es alta y la deficiencia de aire extrema, lo cual sucede en la región interior de cada inyector de combustible. Esto depende en gran medida de la carga del motor y mientras ésta aumenta, la proporción aire-combustible disminuye debido al alto rango de inyección del combustible, lo cual resulta en una mayor cantidad de humo [35]. Es normalmente observado que, la emisión de humo es reducida en comparación con el combustible diesel cuando las mezclas diesel–biodiesel–etanol/bioetanol son usadas. Esto es debido al enlace atómico del oxígeno en el etanol, el cual satisface el control químico positivo sobre la formación de hollín [36,37]. Una fotografía al interior de los cilindros de combustión nos muestra llamas poco luminosas mientras se usan mezclas de etanol lo que baja formación de hollín [38,39]. Casi todos los investigadores encuentran esto cierto. Cuando la emisión de humo de las mezclas diesel–biodiesel–etanol/bioetanol es comparada con la emisión de humo del diesel, algunos de los investigadores reportan una pequeña reducción [26,27], mientras que otros reportan una reducción significante con estas mezclas [2,28,32,40,41] incluso cuando ésta contiene solamente 10% de diesel [21]. Con16% de biodiesel y 4% de etanol, Shi y otros [2,41] encuentra que esta emisión debe ser entre 47% y 90% más baja en condiciones de carga completa y velocidad máxima respectivamente. Mientras Barabás y otros [28] encuentran que la emisión de humo es disminuida tanto como el 50% para mezclas de combustible a todas las cargas, especialmente a medias y pequeñas cargas. Encontraron un mínimo de 27.6% y un máximo de 50.3% de disminución a cargas altas.

Hulwan and Joshi [25] estudiaron la emisión de hollín y humo de las mezclas diesel–biodiesel–etanol cambiando los tiempos de inyección. Encontraron que la emisión de humo es casi constante y despreciable a cargas pequeñas, pero incrementa lentamente con el aumento de la carga de mezclas diesel–biodiesel–etanol. También encontraron que esta condición se cumplía para todas las mezclas incluso con una mezcla con 50% de biocombustible en su contenido. Observaron este comportamiento de la emisión de humo en todas las condiciones de tiempo de inyección y velocidades. Aunque observaron que, la emisión de humo incrementaba con el incremento de la carga, encontraron que esta emisión siempre será menor a la del combustible diésel. En un tiempo de inyección de 131, observaron excesiva emisión de humo para una mezcla de 20% etanol y 10% biodiesel. Esto pasó debido al tiempo insuficiente para la oxidación del hollín. También notaron que, el humo es reducido significantemente cuando el tiempo de inyección es superior a altas cargas. Tiempos de inyección superiores nos llevan a tener grandes presiones en el cilindro, por lo tanto, las partículas de hollín tienen más tiempo para ser oxidadas antes que la válvula de escape se abra [35]. Debido al exceso de contenido de oxígeno y una mejor abilidad de mezclado, la mezcla puede utilizar el tiempo adicional de manera más efectiva que el combustible diésel [25]. Por lo tanto, resulta obvio que la emisión de hollín y humo es reducida de forma remarcable cuando las mezclas ternarias son usadas. Algunos investigadores no reportaron reducción alguna en la emisión de hollín y humo, la emisión era casi idéntica a la del combustible diésel. Pero si el rango del EGR se incrementa [32] o el tiempo de inyección es superior [40] entonces la emisión de hollín y humo aumenta. Después de todos los debates (ver también Tablas 2 y 8) podemos concluir que, se puede reducir un máximo de 60 a 80% la emisión de hollín y humo con el uso de mezclas ternarias.

3.2. Óxidos de nitrógeno (NOx)

La emisión más problemática de un motor de CI son los NOx. Los óxidos de nitrógeno en las emisiones de los escape contienen óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2). La formación de NOx dependen gran parte de la temperatura dentro del cilíndro, la concentración de oxígeno, el tiempo de permanencia en el que se da lugar reacción y la relación de equivalencia [42,43].Cualquier densidad del combustible, su número de cetano, la composición aromática del combustible o todos en conjunto, influyen en la formación de NOx. La relación equivalente aire-comustible puede ser cambiada por combustibles oxigenados a nivel de alcanzar menores emisiones de NOx [22]. Otra posibilidad para lograr una baja emisión de NOx en combustibles con etanol adicionado puede ser su efecto de enfriamiento en la evaporación, lo que

conduce a la reducción de la temperatura de la flama [22]. Por otro lado, la disminución del número de cetano se debe a la adición de combustible oxigenado al combustible fósil lo que

conlleva a un aumento en el retraso de la ignición lo cual resulta en una

emisión más alta de NOx [44]. Otra

causa estudiada por el incremento de la emisión de NOx del biodiesel es la alta compresibilidad del módulo de masa del biodiesel lo que resulta en un pequeño adelanto en el tiempo de inyección [45]. Se sugiere que, retrazando el tiempo en la inyección se puede reducir el NOx [46]. Por lo que podemos ver, el efecto de las mezclas de biocombustibles/mezclas de combustibles oxigenados en las emisiones de NOx es complicado y no es concluyente. El hecho es que, el resultado de la emisión de NOx varía para cada investigador. Algunes de ellos reportaron un aumento en la emisión de NOx al usar mezclas de biocombustible

[2,16,17,35,47–52], mientras que otros la reportaron más baja que la del combustible diésel [1,12,14,30,40]. También existen quienes encontraron que la emisión de NOx de una mezcla ternaria es idéntica a la del combustible diésel [21]. Randazzo y Sodré [53] encontraron un incremento en la emisión de NOx mientras la cantidad de biodiesel aumentaba en la mezcla. Pero cuando es el etanol es adicionado a esta mezcla, nuevamente encuentran una disminución en la emisión de NOx

con el incremento de la cantidad de etanol en la mezcla. Esto es debido al bajo efecto de bajo poder calorífico del etanol lo cual resulta en mayor requerimiento de combustible para producir el poder que necesita el motor, por lo tanto, se vaporiza escaladamente el combustible y se reduce la temperatura alcanzada en la cámara de combustión. Mientras el pico de temperatura es reducido, el rango de formación de NOx también se reduce. Esto también es observado por He y otros [12], Agarwal [5] y Guarieiro y otros [23]. Guarieiro y otros [23] encontraron un pequeño incremento en la emisión de NOx usando mezclas de combustibles. A 1800 y 2000 rpm, descubrieron entre 30 y 84% de reducción en la emisión de NOx adicionando 10% de bioetanol al combustible diésel. Esta tendencia también fue observada al añadir aceite vegetal y biodiesel. Ellos

encontraron mejores resultados con aceite de castor y biodiesel residual comparado con otros. Con respecto a las mezclas de combustible ternarias, su observación mostró una disminución en la emisión de NOx a 1800 y 2000 rpm en el rango de 6.9-75% y 4-84%, respectivamente. Resultados opuestos son observados por Shi y otros [2] y Barabás y otros [28]. Shi y otros [2] observaron el efecto positivo del etanol en el incremento de la formación de NOx. Observaron sus emisiones más altas con 4% de etanol en la mezcla. Fue un incremento de 19% a carga completa y 30% a la condición de operación completa del torque. Mientras Barabás y otros [28] también encontraron menos influencia de los compuestos oxigenados de las mezclas de combustible en la formación de NOx a cargas pequeñas. Pero a condiciones de cargas medias y altas en el motor, la emisión de NOx incrementa en un 10 a 26% en comparación con el combustible diésel. Esto sucede por la alta temperatura de combustión la cual es debida al contenido de oxígeno del biodiesel y bioetanol y al reducido número de cetano en la mezcla [47,54]. Cuando los investigadores estudiaron las mezclas ternarias en diferentes condiciones de carga, Kwanchareon y otros [47] hallaron una alta emisión de NOx

proveniente de las mezclas diesel–biodiesel–etanol blends a carga baja, media y alta en comparación con el combustible diesel.Especialmente a condición de carga completa, el incremento fue insignificante. Pero Subbaiah y otros [26] reportaron que la emisión de NOx de las mezclas diesel–biodiesel–etanol son bajas a cargas bajas y altas a cargas medias y altas comparadas con el combustible diesel. Sus resultados también indicaron que la emisión de NOx incrementa con el aumento de la porción de etanol en las mezclas. Y cuando Shi y otros [48] estudiaron la emisión de NOx de las mezclas diesel– biodiesel–etanol a cargas variables-velocidades constantes encontraron su emisión 11.4% más altas en comparación al combustible diésel y a velocidades variables-cargas constantes, fue un

5.6% más alta. Este incremento en la emisión de NOx puede ser controlado incrementaron el rango de EGR [32] lo cual es una de las ventajas de usar etanol en mezclas terciarias. Y para entender el efecto de las mezclas diesel–biodiesel–etanol/ bioetanol en la vida real, Cheenkachorn y Fungtammasan [22] probaron las mezclas en un vehículo montado sobre un chasis que cumplía la función de dinamómetro y las mezclas fueron probadas en 3 fases. Encontraron que la emisión de NOx no incrementa rápidamente durante un periódo de aceleración de cambio de marcha. Su estudio muestra menos emisión de NOx de la mezcla diesel– biodiesel–etanol que del combustible diésel fósil convencional.