Kitabı oku: «Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz»
MANUAL DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS Y TECNOLOGÍA AUTOMOTRIZ
Juan Carlos Goñi Delión • Mario Rojas Delgado
Colección Textos Universitarios
Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz
Primera edición digital, octubre de 2016
© Juan Carlos Goñi Delión, Mario Rojas Delgado
© Universidad de Lima
Fondo Editorial
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Diseño, edición y carátula: Fondo Editorial de la Universidad de Lima
Versión ebook 2017
Digitalizado y distribuido por Saxo.com Peru S.A.C.
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Teléfono: 51-1-221-9998
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Lima - Perú
Se prohíbe la reproducción total o parcial de este libro sin permiso expreso del Fondo Editorial.
ISBN versión electrónica: 9789972453540
Índice
Presentación
Capítulo 1. Fundamentos de combustibles, energías y tecnología automotriz
1. Generalidades de combustibles
2. Combustibles convencionales
3. Combustibles alternativos
3.1 Biodiésel
3.2 Bioetanol
3.3 Gas natural
3.4 Gas licuado de petróleo
3.5 Electricidad
3.6 Dimetiléter
3.7 Hidrógeno
4. Combustibles emergentes
4.1 Biobutanol
4.2 Series pentano
4.3 Biometano
4.4 Combustibles sintéticos para transporte
5. Energía y potencia
5.1 Energía mecánica
5.2 Energía eléctrica
5.3 Energía térmica
5.4 Diferentes tipos de potencia
6. Tecnología automotriz
6.1 Generalidades de los motores de combustión interna y combustibles
6.2 Principio de funcionamiento de un motor de combustión interna
6.3 Consumo de combustible y consumo específico de combustible
6.4 Cálculo de la eficiencia de los motores
Capítulo 2. Biocombustibles: clasificación, insumos y producción
1. Biocombustibles e insumos de primera generación
1.1 Biodiésel
1.2 Bioetanol
1.3 Biogás
2. Producción de biocombustibles de primera generación
2.1 Biodiésel por transesterificación
2.2 Bioetanol
2.3 Biogás y transformaciones bioquímicas
3. Biocombustibles e insumos de segunda generación
3.1 Algas para la obtención de biodiésel y bioetanol
3.2 Biomasa lignocelulósica para obtener bioetanol
4. Producción de segunda generación de combustibles
4.1 Biodiésel a partir de especies no alimentarias
4.2 Bioetanol a partir de productos lignocelulósicos
4.3 Dimetiléter a partir del metanol y del gas de síntesis
4.4 Obtención del hidrógeno
4.5 Biocombustibles Fischer-Tropsch
5. Biorrefinación
Capítulo 3. Motores de vehículos con combustibles alternativos
1. Clasificación de los motores para automóviles
2. Motores según el ciclo termodinámico Otto
2.1 Partes principales del motor Otto
2.2 Funcionamiento del motor de cuatro tiempos
2.3 Parámetros de funcionamiento del motor de encendido por chispa
2.4 Diagrama cerrado de los motores de encendido por chispa
2.5 Diagrama abierto de los motores de encendido por chispa
2.6 Detonación y octanaje en motores de encendido por chispa
3. Motores según el ciclo termodinámico Diésel
3.1 Parámetros del motor Diésel
3.2 Diagrama cerrado del ciclo termodinámico Diésel
3.3 Diagrama abierto presión versus ángulo de rotación del cigüeñal en los motores de petróleo
3.4 Sistema de inyección de petróleo
3.5 Turbocompresor e intercooler
4. Curvas características de los motores de combustión interna
4.1 Curva potencia efectiva versus presión de admisión y temperatura de admisión
4.2 Curva potencia efectiva y torque versus velocidad angular del cigüeñal
4.3 Curva eficiencia total versus relación de compresión, presión de admisión y presión de escape
4.4 Comparación de las curvas características
Capítulo 4. Rendimiento y uso de combustibles en motores de combustión interna
1. Combustibles convencionales y balance energético
2. Combustibles alternativos y electricidad
2.1 Rendimiento y uso del biodiésel
2.2 Rendimiento y uso del bioetanol
2.3 Rendimiento y uso del gas natural
2.4 Rendimiento y uso del gas licuado de petróleo
2.5 Rendimiento y uso de la electricidad
2.6 Rendimiento y uso del dimetiléter
2.7 Rendimiento y uso del hidrógeno
3. Utilización de biocombustibles en motores de vehículos y máquinas industriales
3.1 Utilización de biodiésel en motores
3.2 Utilización de bioetanol en motores
3.3 Utilización de biogás en motores
3.4 Comparación de uso de mezclas gasolina-bioetanol y diésel-biodiésel
4. Uso de biocombustibles en diversos tipos de motores
4.1 Biocombustibles en motores de aviones
4.2 Biocombustibles en motores de trenes y barcos
4.3 Biocombustibles en motores de transporte terrestre
4.4 Uso de biocombustibles en motores Diésel
4.5 Combustibles para mezclas con biodiésel
4.6 Biodiésel para uso en buses y camiones
4.7 Casos de uso militar de biocombustibles en barcos y aviones
4.8 Uso de biogás purificado en motores de combustión
Capítulo 5. Seguridad energética y aspectos ambientales
1. Seguridad energética y aspectos ambientales de los combustibles
1.1 Seguridad en combustibles convencionales
1.2 Seguridad en biocombustibles y en electricidad
2. Seguridad energética en general: información estadística
2.1 Producción de petróleo, gas natural y productos derivados
2.2 Reservas de petróleo y gas natural en el Perú
2.3 Exportación e importación de hidrocarburos y aditivos
2.4 Reservas, demanda y oferta de hidrocarburos en el Perú y el mundo
3. Aspectos ambientales
3.1 Consumo de energía
3.2 Emisión de gases y partículas
3.3 Balance de energía eléctrica
Capítulo 6. Combinaciones de los combustibles investigados
1. Selección de combustibles comprendidos en la investigación
1.1 Mezclas de gasolina y alcohol carburante
1.2 Mezclas diésel-biodiésel
2. Mezclas de combustibles y biocombustibles a partir de los combustibles base
2.1 Lineamientos de verificación de las mezclas de combustibles ensayados
2.2 Contenido de alcohol carburante y otros componentes
3. Propiedades térmicas de los combustibles
3.1 Poder calorífico y densidad energético-volumétrica
3.2 Propiedades térmicas de los combustibles en general
4. Normalización comercial y técnica
4.1 Normalización para alcohol carburante NTP 321.126 - 2011
4.2 Normalización para biodiésel NTP 321.125 - 2008
4.3 Normalización para gasolina NTP 321.102 - 2002
4.4 Normalización para diésel NTP 321.003 - 2005
4.5 Normalización para gas licuado de petróleo NTP 321.116 - 2004
4.6 Normalización para diésel marino NTP 321.139 - 2003
4.7 Normalización para motores de combustión interna. Definiciones NTP 383.066 - 1989 (2012)
5. Seguridad en transporte y almacenamiento de combustibles
5.1 Seguridad y riesgos del diésel B5 S-50
5.2 Seguridad y riesgos del gasohol 95 plus*
Capítulo 7. Pruebas en el banco de motores de combustión interna
1. Pruebas de potencia y torque en motores de encendido por chispa
2. Pruebas de potencia y torque en motores de encendido por compresión
3. Descripción de los equipos de ensayo
3.1 Freno dinamométrico de corrientes parásitas
3.2 Medidor del consumo de combustible
3.3 Tablero de control
3.4 Software de medición de parámetros
3.5 Medición del consumo de aire
3.6 Motor Ford a gasolina
3.7 Motor Volkswagen Diésel
4. Curvas de comportamiento con las diferentes mezclas ensayadas
4.1 Curvas de mezclas G95 E7.8
4.2 Curvas de mezclas G95 E10
4.3 Curvas de mezclas G95 E12
4.4 Curvas de mezclas DB2
4.5 Curvas de mezclas DB5 S-50
4.6 Curvas de mezclas DB10 S-50
4.7 Curvas de mezclas DB12 S-50
4.8 Ángulo de adelanto de chispa
5. Componentes tóxicos de los gases de escape
6. Conclusiones de los ensayos
7. Cuadros comparativos y conclusiones generales referidas a las mezclas recomendadas. Razones para su uso en el mercado nacional
7.1 Mezclas de combustibles disponibles actualmente en el mercado y componentes base
7.2 Mezclas de combustibles de origen fósil y biocombustibles, probadas en el banco de motores
7.3 Caracterización técnica y comercial
7.4 Información para la seguridad en transporte y almacenamiento de combustibles
7.5 Relación combustible, seguridad energética y servicio de motor
7.6 Producción de gases de efecto invernadero
7.7 Conclusiones generales
Referencias bibliográficas
Anexos
Anexo 1. Curvas características de los motores ensayados
Anexo 2. Simbología
Anexo 3. Propuesta de ensayo de laboratorio de motores a gasolina y Diésel
Presentación
El presente trabajo, titulado Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz, es el resultado de la investigación sobre combustibles alternativos realizada con el auspicio del Instituto de Investigación de la Universidad de Lima. La investigación fue desarrollada mediante ensayos con diversos combustibles y utilizando un banco de ensayo para motor.
El objetivo principal de esta investigación fue determinar en forma experimental la energía obtenida, la eficiencia en los motores de combustión interna y la conveniencia técnica de utilizar combustibles alternativos con diferentes porcentajes de combustible ecológico, pues el parque automotor en Lima ha usado convencionalmente gasolinas y petróleo provenientes de hidrocarburos fósiles. Se han tomado dos grandes rangos de combustibles en función del tipo de motores de combustión interna: los motores de ciclo Otto o a gasolina y los motores de ciclo Diésel o a petróleo.
En el estudio se ha considerado, por un lado, el combustible biodiésel mezclado con el petróleo diésel 2 comercial, haciendo pruebas con diferentes porcentajes de biodiésel, como son el biodiésel DB2, DB5, DB10 y DB12. Por otro lado, se ha trabajado con el etanol como alcohol carburante o bioalcohol, mezclado con la gasolina para obtener mezclas como la GE5, GE7.8, GE10, GE12, con las que se realizan ensayos para establecer los parámetros de consumo de combustible, potencia, torque y rendimiento, entre otros.
Este manual de combustibles y tecnología de vehículos comienza explicando los fundamentos básicos de los combustibles; asimismo, explica las propiedades que caracterizan a los combustibles, punto de ignición, grado de pureza, número de octano, número de cetano, y plantea los cálculos para obtener el poder calorífico a partir de los componentes que los integran. También se dan algunos ejemplos ilustrativos, y se continúa con las propiedades físicas, químicas y térmicas que se deben considerar para el funcionamiento y regulación de un motor de combustión interna.
En el inciso referente a los combustibles convencionales, se trata de los combustibles regularmente usados en la industria automotriz y en nuestro medio, como el petróleo diésel D2, las gasolinas en sus diferentes octanajes, el gas licuado de petróleo (GLP) y el gas natural vehicular (GNV).
Dentro de los combustibles no convencionales se estudiarán el dimetiléter, el hidrógeno, los diversos alcoholes carburantes y los diferentes aceites para usar en motores a gasolina y Diésel.
Los combustibles alternativos serán la parte central de este texto y se estudiarán a partir de los motores de vehículos (capítulo 3), donde se revisarán con profundidad el biodiésel, el bioetanol, las mezclas biodiésel-petróleo fósil y bioetanol-gasolina. Se iniciará el capítulo con generalidades, para terminar con casos aplicados. En esta sección se presenta una clasificación de los motores de combustión interna y se explica el ciclo de funcionamiento de cada uno. De esta manera se pueden comprender las diferentes características técnicas y fisicoquímicas que debe respetar un combustible para ser aplicado a los motores. Se termina explicando las curvas características de los motores de combustión interna y la relación entre cada una de estas curvas.
Entre los temas que se abordan, es imprescindible mencionar el estudio del rendimiento y utilización de los combustibles en los motores de combustión interna de uso comercial, como son los aviones, trenes, barcos, grupos electrógenos y otros. Asimismo, se concede la debida importancia a la seguridad energética y al respeto ambiental, para lo cual se revisa la seguridad de los combustibles convencionales, de los biocombustibles, de la electricidad, con la información y el marco legal; para terminar con el consumo de energía y el medio ambiente.
Finalmente, para poder demostrar la utilidad práctica de la investigación y exponer resultados concretos, se muestran los ábacos y las curvas obtenidos con motores de ensayo en laboratorio, haciendo uso de un banco de pruebas para motores de combustión interna. Este punto exige el conocimiento del comportamiento de un motor vehicular, su geometría, su sistema de funcionamiento, su mecanismo, su alimentación de combustible (inyección), carburación, sistema eléctrico y sistema de refrigeración. Luego de estos puntos se presentan las curvas ensayadas, con las respectivas conclusiones y sugerencias que pueden ser aplicadas comercialmente, con sustento técnico.
Se observa que existen en nuestro medio fuertes reservas y preocupaciones técnicas que impiden seguir incrementando el porcentaje de biocombustibles en la gasolina y el petróleo diésel. Los ensayos han demostrado que el aumento volumétrico razonable de biocombustibles es factible en nuestro parque automotor, no reduce la potencia ni la eficiencia de los motores; además, se conserva el motor más limpio y se favorece al ecosistema.
Los autores
| Capítulo 1 | Fundamentos de combustibles, energías y tecnología automotriz |
En este capítulo se tratan los siguientes temas:
• Generalidades de combustibles
• Combustibles convencionales
• Combustibles alternativos
• Combustibles emergentes
• Energía y potencia
• Tecnología automotriz
Los combustibles para la alimentación de los motores de la ingeniería automotriz han sido, desde sus primeros diseños, el factor más importante en su funcionamiento. Las propiedades de un combustible determinan el tipo de motor de combustión interna a utilizar, y asimismo, un ciclo de funcionamiento que se adecúa a ciertas características especiales de un combustible.
El presente capítulo trata de las generalidades de los combustibles, combustibles convencionales, combustibles alternativos, combustibles emergentes, energía, potencia y la tecnología automotriz compatible con los combustibles existentes en el mercado.
En esta sección se introducen los fundamentos de los combustibles convencionales, alternativos, emergentes y la tecnología de los motores de combustión interna que requieren de estos combustibles.
1. GENERALIDADES DE COMBUSTIBLES
En esta introducción se reseña el origen de la energía y los combustibles en el planeta Tierra, presentando una distribución de la energía solar en nuestro orbe.
a) Energía de posición del planeta Tierra en el universo:
La energía de posición del planeta Tierra comprende la energía asociada a los otros planetas y al universo con los campos gravitatorio, electromagnético, radioeléctrico y otros. Esta energía de posición es de mínima magnitud comparada con la energía solar incidente sobre nuestro planeta.
b) Energía solar incidente sobre el planeta Tierra:
La energía solar se divide en energía actual o energía incidente sobre el planeta y la energía almacenada, que es la que incidió en el pasado y se depositó como energía interna del planeta.
La energía actual se divide en directa e indirecta. La energía directa comprende la captación térmica mediante paneles y concentradores de energía, y la captación fotónica, que se da por medio de celdas fotovoltaicas o por biomasa vegetal y animal residual.
La energía indirecta la forma la energía eólica del aire de la atmósfera e hidráulica de mares, ríos, lagos y otras masas acuáticas.
La energía almacenada es la energía interna del planeta y comprende la energía en materia radioactiva, la energía geotérmica y la energía en materia fósil.
El combustible fósil proveniente de la materia fósil, combustible convencional, se relaciona con el combustible proveniente de la biomasa actual, combustible renovable o biomásico, para dar lugar a los combustibles alternativos. Estos dan lugar a biocombustibles puros, combustibles emergentes, y también mezclas entre combustibles convencionales y biocombustibles. Actualmente, estas mezclas de biocombustible están mundialmente comercializadas en diversas composiciones convencionales y de biocombustible.
A continuación se indican brevemente algunos ejemplos de combustibles fósiles y biomásicos.
Combustibles fósiles (cuasi-directos, agotables):
– Gas natural (natural gas) y derivados.
– Carbón mineral (coal) y derivados.
– Petróleo (petroleum, oil) y derivados.
Combustibles biomásicos (cuasi-directos, renovables):
– Residuales forestales (leña, ramas, hojas, aserrín de madera).
– Carbón vegetal (charcoal, subproducto de la destilación seca de madera).
– Residuales agrarios y agroindustriales (ramas, hojas, tallos, bagazo, orujo).
2. COMBUSTIBLES CONVENCIONALES
Para esta sección se ha tomado como base la información del Grupo de Trabajo n.° 10 del Congreso Nacional del Medio Ambiente 8 (Conama, 2006b), que detalla:
a) Definición y propiedades:
La gasolina y el diésel n.° 2 son mezclas complejas de hidrocarburos que destilan en un intervalo de temperaturas determinado; menor temperatura en gasolina como más volátil y mayor temperatura en diésel n.° 2 como menos volátil.
Además de hidrocarburos de origen fósil, los combustibles pueden mezclarse con biocombustibles, gasolina con alcohol carburante y diésel n.° 2 con biodiésel; y en el caso de la gasolina puede tener aditivos como agentes oxigenantes, generalmente etil-éter, butil-éter o metil-terbutil-éter.
En el Perú, la normatividad oficial de combustibles corresponde al Instituto Nacional de Defensa de la Competencia y de la Protección de la Propiedad Intelectual (Indecopi).
b) Beneficios:
– Almacenamiento y distribución de los combustibles deben ser confiables.
– Precios competitivos.
– Adecuados para la introducción de los biocombustibles.
– Muy eficientemente adaptados a los vehículos.
c) Inconveniencias:
– Obligación legal de uso de mezclas con combustibles alternativos.
3. COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS
Los combustibles considerados son el biodiésel, bioetanol, gas natural, gas licuado de petróleo, electricidad como vector energético, dimetiléter e hidrógeno.
3.1 Biodiésel
a) Definición y propiedades:
El biodiésel es un éster metílico de ácidos grasos que se obtiene a partir de aceites vegetales y que puede utilizarse en vehículos Diésel.
Los aceites vegetales utilizados están compuestos principalmente por ésteres denominados triglicéridos. Para obtener el biodiésel es necesario convertir los triglicéridos en ésteres de metilo. Esto se consigue a través de una reacción denominada transesterificación.
El biodiésel es un sustituto renovable del diésel petrolero para motores de combustión interna de vehículos de transporte. Este combustible puede aumentar la seguridad energética, mejorar las condiciones ambientales y el cuidado de la salud pública.
b) Beneficios:
– Beneficios medioambientales.
– Creación de empleo en el sector agrario.
– Aumento de seguridad en el abastecimiento.
– Mercado en expansión del biocombustible.
– Permite cumplir con protocolo de Kyoto al sector del transporte.
– Introducción obligatoria en mezclas con el diésel de origen petrolero.
– Reducción del precio de la glicerina (subproducto).
c) Inconveniencias:
– Baja rentabilidad del biocombustible.
– Se hace viable económicamente si el precio del petróleo aumenta a un nivel muy alto.
3.2 Bioetanol
a) Definición y propiedades:
El bioetanol es un etanol de origen vegetal que se obtiene de sustancias ricas en almidón y azúcar como cereales, maíz, remolacha, residuos vínicos y otros.
El bioetanol puede utilizarse en motores Otto hasta un 12 % y en vehículos modificados hasta un 100 %. Asimismo, a partir del bioetanol se pueden formar compuestos mejoradores del octanaje, como es el ETBE (etil-terbutil-éter).
El etanol es producido a partir de diversos insumos de origen vegetal, denominados en conjunto biomasa. El etanol tiene un uso intensivo en mezclas con gasolina para accionar motores de combustión interna, y también ha sido empleado como combustible alternativo o en mezclas al 85 % en volumen de etanol y mayor. En Perú, son comunes las mezclas de gasolina (G) con 7,8 % en volumen de alcohol carburante o etanol desnaturalizado (E).
La materia prima puede ser soluciones azucaradas extraídas de caña de azúcar o remolacha, y por fermentación de los azúcares se puede obtener el etanol para su refinación final. El subproducto es CO2, que puede ser utilizado como nutriente en el cultivo de microalgas.
Otra ruta es la hidrólisis de granos o de material lignocelulósico, para obtener una solución azucarada a ser fermentada y destilada, para dar etanol y CO2.
El etanol tiene mayor octanaje que la gasolina, por lo que permite una mezcla con mejores propiedades, y se requiere un octanaje permisible para evitar el traqueteo en el motor.
b) Beneficios:
– Reducción de la dependencia del petróleo.
– Materias primas diversificadas de obtención local.
– Reducción de la emisión de gases de efecto invernadero.
– Oportunidades para mayor actividad económica rural.
– Eliminación de residuos orgánicos (material celulósico).
– Promoción de biocombustibles mediante subsidios.
– Uso de infraestructura de transporte y almacenamiento del biocombustible puro o mezclado.
– Requiere del impuesto a los combustibles.
c) Inconveniencias:
– Falta avanzar en tecnologías de conversión de celulosa en bioetanol.
– Desarrollo de biorrefinerías para aprovechamiento integral de los recursos.
– Precios altos a largo plazo.
– Conflictos con el uso de tierras y materias primas tipo alimentarias.
3.3 Gas natural
a) Definición y propiedades:
El gas natural (GN) se utiliza directamente como combustible en motores tipo Otto de encendido por chispa. También se puede utilizar comprimido (a 200 bar) o licuado. Por motivos de los requerimientos de almacenamiento, se ha desarrollado más el uso de GN comprimido.
El gas natural (GN) es una mezcla gaseosa de hidrocarburos, principalmente metano (CH4). Tiene uso doméstico, comercial, industrial, producción de electricidad y como combustible vehicular alternativo por tener un quemado más limpio y un menor contenido de azufre. El Perú posee importantes reservas y yacimientos para la extracción de GN para aplicación intensiva en la industria y en los vehículos de transporte público (gas natural vehicular). El gas natural “entero” es fraccionado a gas natural “seco” comprimido (metano-etano) y líquidos del gas natural (hidrocarburos mayores). El gas natural se pondera en unidades de diésel o de galones de gasolina equivalentes (GGE).
b) Tipos:
– Gas natural seco comprimido (GNC):
Es la fracción del gas natural “entero” que se extrae del yacimiento, y contiene principalmente metano (C1) y etano (C2) en menor proporción, además de otros componentes. El GNC que sale de la planta de fraccionamiento es transportado a través de un ducto dirigido hacia los centros de acondicionamiento para su distribución y uso. En el caso del proyecto Camisea (Sureste del Perú), el GNC sigue el trayecto general de Malvinas-Pisco-Callao.
– Líquidos del gas natural (LGN):
Es la fracción del gas natural “entero” que se extrae del yacimiento, contiene hidrocarburos mayores al C1 y C2, tales como propano (C3), butano (C4), pentano (C5) y otros mayores. El LGN que sale de la planta de fraccionamiento es transportado a través de un ducto destinado hacia un centro de refinación para obtener gasolina, diésel y una mezcla de propano y butano, denominada gas licuado de petróleo (GLP).
– Gas natural vehicular (GNV):
Es el GNC normalizado por el Estado, para su uso como carburante gaseoso en motores de combustión interna de vehículos automotores, para transporte público y particular. Se suministra en las estaciones de servicio autorizadas, donde se carga el GNV al tanque del vehículo, a la presión de 200 bar.
– Gas natural licuefactado (GNL):
Es el GNC acondicionado (purificado) y licuefactado (condensado) a -160 °C; también se le denomina “metano líquido” y se transporta en naves marinas conocidas como buques metaneros. En el Perú se tiene una planta de producción de GNL instalada al sur de la capital, aproximadamente a 179 kilómetros de Lima (Melchorita).
c) Beneficios:
– Precio competitivo.
– Mejor compatibilidad medioambiental.
– Reducción de la dependencia del petróleo.
d) Inconveniencias:
– Reducción del espacio para equipaje por el tamaño del tanque del gas.
– Mayor riesgo por la alta presión operativa.
– Se requiere de estaciones de reparto dedicadas.
3.4 Gas licuado de petróleo
a) Definición y propiedades:
El GLP vehicular es el combustible alternativo más utilizado en el mundo. El GLP se usa añadiendo un equipo de almacenamiento y alimentación de gas al sistema de gasolina del vehículo. El abastecimiento de gas se realiza mediante surtidores de gas, llenando un depósito de acero instalado en el vehículo, con un proceso de recarga similar al de cualquier combustible líquido.
El gas licuado de petróleo (GLP), también conocido como propano, gas doméstico y simplemente gas, es la mezcla de C3 y C4 (C3 al 95 % y C4 al 5 %) que se obtiene en una refinería de petróleo, de allí el nombre de gas licuado de petróleo; también se puede obtener de una refinería de los líquidos del gas natural (LGN).
El GLP almacenado en un tanque a presión es una mezcla líquido-gas, no tiene olor ni color. Cuando la válvula del tanque se abre progresivamente, el líquido pasa a gas, que es empleado como carburante. Para detectar fugas se agrega etil-mercaptano, que le otorga al gas un olor desagradable como indicador del peligro existente.
Identificación como carburante alternativo: el interés en considerar el GLP como un combustible alternativo es por su disponibilidad local, alta densidad energético-volumétrica y su relativo bajo costo. Ocupa el tercer lugar en la categoría de carburante alternativo, por tener como principal componente al propano; en algunas refinerías se puede obtener con 90 % de propano, no más de 5 % de propileno y 5 % de butano y otros.
b) Beneficios:
– Precio accesible.
– Disponibilidad inmediata.
– Diversificación energética.
– Desarrollo de políticas de carburantes alternativos.
– Desarrollo de políticas medioambientales.
– Desarrollo de otros carburantes alternativos.
– Cambios en la política fiscal.
c) Inconveniencias:
– Falta de infraestructura ya existente.
– Necesidad de adaptación de vehículos (conversión gasolina-GLP).
– Escaso interés de los fabricantes de vehículos.
3.5 Electricidad
a) Definición y propiedades:
La electricidad es un vector energético, que puede ser considerado como un combustible energético producido a partir de diversas fuentes de energía primaria, tales como petróleo, carbón mineral, gas natural, energía nuclear, energía hidráulica, energía eólica y energía solar. Los vehículos eléctricos (VE) son capaces de tomar energía de la red eléctrica y almacenarla en baterías recargables para su funcionamiento.
Actualmente, los vehículos eléctricos no alcanzan la autonomía y la velocidad que el resto de vehículos ofrecen. Los eléctricos no contaminan ni emiten ruido; sin embargo, la electricidad es un vector energético que puede ser obtenido de cualquier fuente primaria (combustibles fósiles, fuentes renovables, isótopo U238, etc.).
b) Beneficios:
– No produce emisiones de gases de efecto invernadero ni contaminantes del aire.
– Se puede producir electricidad a partir de múltiples fuentes, incluidas fuentes energéticas sostenibles y locales, de ello depende su precio.
– Reducción de emisiones contaminantes locales en las ciudades.
– Impulsar el desarrollo de un sistema optimizado de producción y distribución de electricidad desde fuentes renovables.
– No es una fuente de energía sino un vector energético, y como tal hay que fabricarlo y dirigirlo, consumiendo cierta energía (mayor o menor, dependiendo del proceso).
c) Inconveniencias:
– Habría que crear la infraestructura de suministro de electricidad en las carreteras.
– Habría que mejorar y abaratar las baterías.
– Habría que aumentar la autonomía del vehículo.
– Habría que reducir su costo.
3.6 Dimetiléter
a) Definición y propiedades:
Una solución económica eficiente para transportar el GN es su previa transformación en líquido, mediante la cadena de GNL o también realizando una transformación química a líquidos adecuados. El líquido que maximiza la rentabilidad económica es el metanol, por la sencillez del proceso, los reducidos costos de transformación y la existencia de importantes economías de escala. Sin embargo, su desventaja más notable es la dificultad de aumentar la demanda mundial. Se están desarrollando procesos a partir del metanol, entre ellos está el dimetiléter.
b) Beneficios:
– Mejor comportamiento medioambiental.
– Nuevo segmento en el mercado de derivados de gas natural.
– Reducción de la dependencia del petróleo.
– Necesidad de usarlo a presión, aunque no muy elevada, si se utilizara solo, dado su bajo punto de ebullición (-20 ºC).
– Puede manejarse en condiciones similares a las del GLP en estado líquido.
c) Inconveniencias:
– No es económicamente viable para precios del crudo inferiores a 30 US$/barril.
– Es necesario hacer cambios en los componentes de los motores.
3.7 Hidrógeno
a) Definición y propiedades:
El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, no tóxico y el más ligero de todos los elementos. Tiene un elevado poder calorífico en masa (120,1 MJ/Kg) y es bajo en volumen (10,7 MJ/nm3).
El proceso de producción requiere un alto consumo de energía. Sin embargo, el 90 % se obtiene reformado con vapor de gas natural (GN), ya que es más barato, pero puede utilizarse prácticamente cualquier otra fuente energética (naftas, metanol, carbón, biomasa), u obtenerse por electrolisis del agua.
El hidrógeno es un combustible potencialmente libre de emisiones, que se puede producir a partir de materia prima local. Aunque todavía no es usado ampliamente como combustible para transporte, se investiga para lograr una producción de hidrógeno limpia, económica y segura. Es el elemento más simple y abundante del universo, pero es escaso en la naturaleza y se presenta como un gas incoloro e inodoro en la atmósfera terrestre. Pero sí se encuentra combinado con otros elementos; ejemplos: agua, hidrocarburos y materia orgánica; de estas materias se planea obtenerlo para aplicarlo industrialmente y como combustible alternativo.
El hidrógeno puede mezclarse con gas natural para dar lugar al carburante denominado “hitano” (hythane). El interés por el hidrógeno es aprovechar su quemado limpio, posibilidad de fabricación local y su potencial para alta eficiencia en vehículos accionados con celdas de combustible, que permiten una eficiencia de 2 a 3 veces la eficiencia de un motor operado con gasolina.
b) Beneficios:
– Se puede producir hidrógeno a partir de múltiples fuentes, incluidas fuentes energéticas sostenibles y locales.
– El uso de hidrógeno no produce emisiones de gases de efecto invernadero ni contaminantes del aire (salvo al ser usado en motores de combustión, en que se producen ligeras emisiones de NOx).
– Hay reducción de la dependencia energética.
– Se logra el desarrollo de un sistema optimizado de producción y distribución de hidrógeno.
– No es una fuente de energía sino un vector energético, y como tal hay que fabricarlo consumiendo alta energía.
– En la actualidad se produce mundialmente una veinteava parte del hidrógeno que sería suficiente para sustituir a los combustibles alternativos.
El H2 es un vector energético tan limpio como la fuente de la que se produzca:
– Electrolisis del agua: sin emisión de CO2.
– Central nuclear: sin emisión de CO2.
– Productos biológicos: emisión neutra de CO2.
– Fuentes fósiles: con emisiones de CO2 (reducidas con técnicas de captura y confinamiento).
Las alternativas para el aprovechamiento energético del H2 son en motores de combustión y en pilas de combustible. Las emisiones en cada uno son:
– Motores de combustión: vapor de agua, bajos NOx, bajos HC.
– Pilas de combustible: vapor de agua.
c) Inconveniencias:
– Su transporte es costoso por tener una densidad energética en volumen bajo y ser un gas muy volátil.
– No existe en la actualidad una infraestructura de suministro de hidrógeno para su uso como vector energético.
– Las pilas de combustible están en fase de desarrollo.
– No se logra alcanzar un precio del hidrógeno que sea competitivo con los combustibles alternativos.
– El precio del hidrógeno puede ser muy dependiente del precio del gas natural o de la electricidad renovable.
4. COMBUSTIBLES EMERGENTES
Dentro de los combustibles emergentes se estudiarán el biobutanol, las series pentano, biometano y los combustibles sintéticos para transporte.
4.1 Biobutanol
a) Definición:
El biobutanol es butanol (alcohol butílico), fabricado con la misma materia prima para obtener el etanol, como maíz, caña de azúcar, remolacha y de otra biomasa. Generalmente usado como solvente industrial, puede ser mezclado con otros combustibles para su uso en motores tipo Otto. El biobutanol se puede usar como oxigenante, hasta un 11,5 % en volumen, en mezclas con gasolina.
La fabricación del biobutanol vía fermentación data de 1900, pero ha sido más caro que los derivados del petróleo y actualmente se produce a partir de insumos petroquímicos.
b) Beneficios:
– Se considera como una alternativa de combustible vehicular sostenible.
c) Inconveniencias:
– Una limitación es usar plantas de fermentación para producir biobutanol a partir de maíz, que es un alimento.
4.2 Series pentano
a) Definición:
La serie pentano (SP) es una mezcla de líquidos del gas natural (pentano) con etanol y metil-tetrahidrofurano (MeTHF). Los combustibles SP son transparentes, incoloros y tienen un octanaje entre 83 y 93, y pueden mezclarse con gasolina en cualquier proporción.
b) Beneficios:
– Por su limitado uso, tendrían mayor valor como aditivo.
4.3 Biometano
a) Definición:
El biometano se puede obtener a partir de la purificación del biogás (gas de pantano, gas de relleno de suelo, gas de digestión anaeróbica de materia orgánica) mediante un proceso de alta calidad de separación. Tiene un uso similar al del metano obtenido a partir del gas natural. Se puede quemar en una planta térmica para generar electricidad y energía térmica, además de accionar motores de combustión interna de vehículos automotores (como biometano vehicular). Puede ser considerado como un sustituto del gas natural seco comprimido.
El biogás contiene en promedio de 50 a 80 % de metano y de 20 a 50 % de dióxido de carbono, además de hidrógeno, monóxido de carbón y nitrógeno en muy baja proporción. Comparativamente, contiene menor concentración que en el gas natural; en algunos países de Europa lo emplean en vehículos con motores a gas natural, en tanto que en Norteamérica se emplea en menor proporción.
• Fuentes de biogás
Los rellenos sanitarios presentan la mayor fuente de emisiones de metano relacionadas con actividad humana.
La recuperación de biogás de las actividades de ganadería, puede ser viable por ratio beneficio/costo. El estiércol animal puede ser recogido para su procesamiento en un digestor anaeróbico. También se puede obtener biogás de actividades avícolas, porcinas y de lecherías con indicios de viabilidad económica.
• Distribución
La refinación del biogás producirá el biometano; para su distribución empleará una infraestructura muy similar al sistema de tuberías y estaciones, tal como se aplica a la distribución de gas natural. Las etapas de refinación comprenden absorción, adsorción, separación por membrana o separación criogénica, para aumentar la concentración de metano y reducir la del dióxido de carbono y de otros contaminantes.
b) Beneficios:
– Produce menos emisiones en comparación con el uso de la gasolina.
– Evita el metano en la atmósfera, que tiene un efecto de gas invernadero veintiún veces mayor que el efecto del dióxido de carbono.
– Incrementa la seguridad energética y es viable económicamente al reducir el costo del cumplimiento de la normatividad vigente respecto al gas de relleno sanitario.
La producción de biogás mediante la digestión anaeróbica, reduce la masa y olores ofensivos de los rellenos sanitarios, requiriendo menor área de operación comparable al proceso de compostaje aeróbico. Al quemarse el biometano se produce dióxido de carbono, que puede ser capturado y licuado para su empleo como nutriente en cultivos de vegetales y de microalgas.
4.4 Combustibles sintéticos para transporte
a) Definición:
Los combustibles sintéticos para transporte (CST) se producen mediante procesos de conversión, incluyendo los métodos Fischer-Tropsch (FT), a partir de materia prima carbonosa tal como biomasa, carbón mineral, gas natural. Los CST pueden obtenerse como gasolina, diésel, etanol y metanol.
Los combustibles líquidos a partir de carbón mineral y gas natural (CLCGN) se obtienen principalmente por el proceso Fischer-Tropsch (FT), con la desventaja de originar la emisión de gas invernadero, pero que puede manejarse con la captura y secuestro del dióxido de carbono.
También el carbón mineral puede convertirse directamente en combustible líquido por el proceso de hidrogenación, siguiendo el método Bergius (B), consistente en hidrogenar carbón mineral bajo alta temperatura y alta presión, produciendo hidrocarburos líquidos que pueden refinarse hasta obtener combustibles sintéticos.
Proceso Fischer-Tropsch (FT): el proceso FT produce combustibles líquidos convirtiendo el gas de síntesis (mezcla de H2 y CO), proveniente del reformado, con vapor de agua del carbón mineral o gas natural, obteniendo diésel que puede sustituir al diésel petrolero convencional, para accionar motores Diésel sin modificarlos.
El proceso FT comprende tres etapas:
1. Producción del gas de síntesis (gasificación de carbón o reformado de gas natural).
2. Reacción de síntesis FT (la clave para este método es el catalizador, además de la alta temperatura y presión). Existe la posibilidad de reformar el biometano para obtener el gas de síntesis renovable.
3. Gasificación de biomasa. Primero se realiza el calentamiento y oxidación parcial de biomasa para obtener el gas de síntesis, y de ahí se sigue la ruta FT. Luego, se realiza la pirólisis de biomasa, que es el tratamiento térmico sin presencia de oxígeno para producir hidrocarburos líquidos, y de ahí se pasa a la refinación.
Los procesos de gasificación y pirólisis usan energía térmica y reacciones químicas para producir combustibles, productos químicos y generación de potencia.
En general, se debe considerar el balance energético entre el consumo de energía para producir un combustible y el rendimiento térmico del combustible producido, para que sea viable tecnológicamente.
b) Beneficios:
– Compatibilidad de uso de los CST en la infraestructura para su distribución y en motores tipo Otto y Diésel, sin modificaciones.
– Incremento de la seguridad energética, control de reducción de emisiones, menor generación de gases invernadero (el CO2 capturado en el crecimiento de la materia prima es mayor que el producido durante el quemado del combustible).
– Similar o mejor rendimiento respecto a los combustibles convencionales.
5. ENERGÍA Y POTENCIA
La energía es la capacidad de producir trabajo. La energía se puede presentar como energía mecánica, energía potencial, energía cinética, energía eléctrica, o incluso energía calorífica.
La potencia es la energía generada, producida o perdida en un determinado tiempo. Algunas formas de expresar la energía son:
| E = m.v2/2 | energía cinética o de movimiento, donde “v” es la velocidad del cuerpo de masa “m” |
| E = m.g.h | energía potencial, donde “h” es la altura relativa del cuerpo de masa “m” con una gravedad “g” |
| E = V·i·t | energía eléctrica, donde “V” es el voltaje, “i” la corriente y “t” el tiempo |
5.1 Energía mecánica
La energía mecánica es aquella producto de la suma de las energías potencial y cinética de un sistema.
La energía mecánica se presenta al levantar un peso a una determinada altura, o empujar un objeto en rozamiento a una distancia determinada y a una velocidad constante.
La expresión de energía mecánica será:
| E = T.n.t | donde “T” es el torque, “n” la velocidad angular del eje de accionamiento, y “t” el tiempo |
| E = F.d | donde “F” es la fuerza de accionamiento y “d” la distancia recorrida |
5.2 Energía eléctrica
La energía eléctrica es aquella que resulta de la diferencia de potencial o voltaje entre dos puntos o polos, de tal manera que la carga eléctrica se transporta o fluye a través de un conductor, corriente que determina un trabajo que puede ser aprovechado o transformado en otro tipo de energía.
5.3 Energía térmica
La energía térmica es la energía interna o movimiento de las partículas de un cuerpo a una temperatura determinada. La transferencia de la energía interna se da por medio del flujo de calor. Asimismo, los cuerpos pueden recibir energía interna por radiación, convección o conducción directa. Si la transferencia de energía es a temperatura constante, entonces se tendrá un cambio de estado de la materia o calor latente.
Algunas formas de expresar la energía térmica son:
Energía sensible:
| E= m.ce.∆T | “m”, masa; “ce”, calor específico; “∆T”, diferencia de temperatura |
Energía latente:
| E=m.CL | “m”, masa; “CL”, calor latente |
5.4 Diferentes tipos de potencia
La potencia es la división del trabajo entre el tiempo como definición general, y se puede determinar como la fuerza por la velocidad o el torque por la velocidad angular para el caso de motores de combustión interna, o el voltaje por la corriente para el caso de los motores eléctricos, entre otros.
6. TECNOLOGÍA AUTOMOTRIZ
Los motores de combustión interna son los equipos térmicos que generan el movimiento dinámico de la tecnología automotriz. El término “automotriz” puede referirse a autos, camiones, buses, lanchas o yates con motores fuera de borda, y motores de avión. Cabe resaltar que el uso de motores de combustión interna también se aplica a grupos electrógenos o grupos estacionarios de generación de corriente eléctrica.
6.1 Generalidades de los motores de combustión interna y combustibles
Los motores de combustión interna son máquinas térmicas que utilizan la energía del combustible transformándola en trabajo mecánico giratorio.
A través del tiempo se han desarrollado diferentes máquinas y motores tanto de combustión interna como de combustión externa, de acuerdo con las diferentes necesidades y condiciones de utilización.
Se cuenta con motores de combustión externa, como la máquina de vapor o los calderos, donde la energía de calor es exterior al mecanismo de funcionamiento. En los motores de combustión interna, la energía térmica se encuentra en la cámara de combustión de la máquina. Los equipos más relevantes en este campo son los motores Otto y los motores Diésel.
6.2 Principio de funcionamiento de un motor de combustión interna
Un motor de combustión interna para su funcionamiento necesita de un combustible gaseoso o líquido vaporizado, de tal manera que se producirá una explosión dentro de su cámara de combustión, y finalmente, a través de un sistema de mecanismo mecánico, se transforma dicha explosión en trabajo mecánico giratorio.
Los dos ciclos termodinámicos más importantes de los motores de combustión interna son el ciclo Otto y el ciclo Diésel. El primero puede usar como combustible gasolina, GLP, gas natural, o inclusive alcohol o mezclas. El ciclo Diésel puede usar como combustible petróleo diésel, biodiésel, o mezcla.
6.3 Consumo de combustible y consumo específico de combustible
Se han tomado datos experimentales del consumo de combustible para un motor Diésel y un motor a gasolina en función del régimen o rpm del eje cigüeñal del motor. El consumo de combustible tiene un incremento parabólico con las rpm del motor, partiendo de un valor inicial que corresponde al consumo de combustible en mínimas revoluciones, para vencer las pérdidas propias de cada motor.
Los valores de referencia para un motor a gasolina son 0,7 kg/h de combustible a 800 rpm. El motor tiene una cilindrada de 1400 cm3. Y los valores de referencia para un motor Diésel son 0,5 kg/h de combustible a 800 rpm y 1900 cm3 de cilindrada. En ambos casos se trabajó sin carga, es decir, el motor solo vencía la resistencia del freno dinamométrico. Dicha resistencia es de un Nm de torque, según la curva de error del freno empleado.
El consumo específico de combustible indica la relación entre el consumo de combustible y la potencia para un determinado régimen o velocidad angular. Según este criterio, el parámetro de consumo específico de combustible tiende a subir parabólicamente con el aumento de las rpm, y alrededor de las 2500 rpm la curva alcanza su valor mínimo, para luego, a 3000 rpm, iniciar su ascenso parabólico. Este resultado es razonable, pues a altas revoluciones el consumo de combustible crece con tendencia cuadrática. Este comportamiento es razonable comparado con otros motores de combustión interna.
6.4 Cálculo de la eficiencia de los motores
La eficiencia de los motores de combustión interna se mide como la relación entre la potencia efectiva del eje cigüeñal del motor y la potencia entregada por el combustible.
La potencia del motor está dada por:
| Pot=T.n | donde “T” es el torque del motor y “n” la velocidad angular del motor, generalmente en revoluciones por minuto |
La potencia entregada por el combustible es el consumo de combustible por el poder calorífico inferior del mismo.
Potcomb= m*. PCcomb, donde “m*” es flujo de masa en kg/h o equivalente, “PCcomb” es el poder calorífico en kJ/kg o similar
La expresión de la eficiencia del motor será:
Es importante resaltar que la eficiencia de un motor depende de muchas variables, tales como la presión de admisión, presión ambiente, relación de compresión, presión de escape, coeficiente de llenado de mezcla, y otras más. No obstante, para nuestro estudio consideramos los distintos tipos de combustible y mezclas, de tal manera que la eficiencia del motor estará en función del respectivo poder calorífico.
RESUMEN Y CONCLUSIONES
En este capítulo se han desarrollado los principios fundamentales que permiten entender los diferentes campos tecnológicos que exige la investigación de combustibles alternativos. Es necesario conocer los orígenes en la utilización de la energía convencional y la no convencional, sus efectos sobre el medio ambiente y el planeta, para lograr una mayor atención sobre el estudio realizado.
| Capítulo 2 | Biocombustibles: clasificación, insumos y producción |
En este capítulo se tratan los siguientes temas:
• Biocombustibles e insumos de primera generación
• Producción de biocombustibles de primera generación
• Biocombustibles e insumos de segunda generación
• Producción de segunda generación de combustibles
• Biorrefinación
En la época actual, la humanidad enfrenta un problema serio con su medio ambiente, que se encuentra muy desprotegido por el avance desmedido del uso de los hidrocarburos fósiles no renovables.
Con el estudio intenso de alternativas que utilizan biocombustibles, la comunidad científica internacional busca revertir el problema de la excesiva contaminación de nuestro ecosistema. Este capítulo se refiere a los insumos y producción de biocombustibles como alternativa al uso del petróleo.
En este capítulo se realiza una clasificación de los biocombustibles, aceptada por la comunidad internacional, y se muestran los insumos utilizados y las alternativas para su producción.
Para esta sección se ha tomado como base la información del Grupo de Trabajo de Biocombustibles del Congreso Nacional del Medio Ambiente GT-BlOC 9 (Conama, 2008a).
1. BIOCOMBUSTIBLES E INSUMOS DE PRIMERA GENERACIÓN
Se denominan biocombustibles a aquellos combustibles que se obtienen de biomasa, mediante un proceso sostenible. Los llamados de primera generación indican la existencia de otro tipo de biocombustibles, que no son de primera generación y que actualmente están en desarrollo.
En realidad no existe una clara definición, pero se entiende que son aquellos que se producen a partir de materias primas convencionales; reducen emisiones de gases de efecto invernadero respecto a los combustibles fósiles; tienen presencia en el mercado; son muy importantes para el desarrollo de nuevas generaciones de biocombustibles y se producen sosteniblemente.
Las materias primas utilizadas para la obtención de biocombustibles tienen en común que utilizan insumos existentes también en el mercado alimentario, lo cual ha generado preocupación y críticas de la población, al distraer alimentos para fabricar combustibles que finalmente serán quemados para accionar el motor de un vehículo.
Dependiendo de qué tipo de materia prima se emplee y qué tipo de producto se obtenga, la reducción de emisiones de gases contaminantes será posible.
El ingreso al mercado de biocombustibles de primera generación mezclados con combustibles de origen fósil, no obstante su mayor precio, ha permitido su comercialización y se ha logrado disminuir la contaminación atmosférica.
Para que existan biocombustibles de segunda generación ha sido necesaria la existencia de biocombustibles de primera generación, y se ha conseguido una coexistencia de ambas generaciones. Un requisito obligatorio para la producción de cualquier tipo y generación de biocombustible, es que éste se produzca de una manera sostenible. Entre los principales biocombustibles de primera generación que se pueden producir sosteniblemente están el biodiésel, el bioetanol y el biogás.
1.1 Biodiésel
El biodiésel se produce a partir de aceites vegetales y grasas animales. Las materias primas utilizadas en Perú para su producción son aceite de palma, aceite de soya y también aceite de piñón blanco, en respectivo orden de magnitud.
1.1.1 Aceite de palma
De todas las cosechas de aceite actuales, la palma de aceite es la que da las producciones más altas por hectárea. La fruta de la palma es un hueso de cáscara central dura rodeado por una pulpa externa (mesocarpio) que contiene el aceite de palma. El fruto contiene un hueso, del cual se extrae por prensado un tipo diferente de aceite, aceite de palmiste (palm kernel oil), dejando un residuo proteico valioso como pienso animal, la torta del núcleo de la palma.
La palma africana es originaria del Golfo de Guinea (África occidental) y se extiende hasta 15° de latitud norte y sur, pero las partes más productivas de la industria están actualmente en Malasia e Indonesia, que proporcionan la mayoría del aceite que se incorpora al comercio internacional.
De los racimos cosechados de las palmas se obtienen dos productos: el aceite crudo de la pulpa de los frutos, y las almendras que están dentro de las semillas, de las que se obtiene el aceite de palmiste.
Los racimos cosechados de las palmas se deben llevar a una planta extractora cercana al cultivo para ser procesados tan frescos como sea posible. Allí se refinan y se fraccionan los aceites para producir las oleínas y las estearinas de palma y de palmiste, que sirven para la fabricación de múltiples productos comestibles y no comestibles incorporados a la vida diaria de la población mundial. De igual manera, la torta del palmiste obtenida al extraer el aceite de las almendras, se aprovecha para la fabricación de concentrados para la alimentación animal.
El aceite que se extrae de la pulpa de los frutos es el más abundante, representando entre el 40 % y el 50 % del peso de cada fruto individual, mientras que en los racimos, el aceite representa entre el 19 % y el 25 %.
Sin embargo, en la realidad del país palmicultor, se encuentra una amplia gama de productividad que va desde 2,5 hasta 6,3 toneladas anuales de aceite por hectárea, dependiendo de la zona donde se desarrolle el cultivo, del manejo que se le brinde, de la capacidad genética de sintetizar y almacenar aceite, de las condiciones climáticas, de la calidad del proceso y de los equipos en las plantas extractoras.
En cuanto al aceite extraído de palmiste o almendra, se debe señalar que representa alrededor del 4,4 % del peso de cada fruto y entre el 2,5 % y el 3,5 % respecto del peso del racimo. De esta manera, teóricamente, se podrían obtener entre 780 y 980 kilogramos de aceite de palmiste por hectárea.
Del procesamiento de la almendra o palmiste, entre el 50 % y el 56 % del producto obtenido es torta, variación que depende de la limpieza del palmiste, que contiene entre el 17 % y el 19 % de proteína, según el tipo de extracción empleado.
1.1.2 Aceite de soya
El aceite de soya es el aceite que se obtiene de la semilla de la soya (glycine max). Era conocido en China 3000 años antes de Cristo. Tiene muy buena calidad y bajo costo, y actualmente es el de mayor producción entre los aceites vegetales del mundo.
La soya es una planta leguminosa cuyo fruto es parecido a la alubia y es rico en proteínas. Su aceite se extrae de las semillas de soya glicine max merr, soya híspida moench y dolichos soya, y aunque en nuestro país no está muy introducido, en el resto del mundo es el aceite más consumido.
El aceite de soya es bastante equilibrado en su composición de ácidos grasos. Contiene aproximadamente un 15 % de ácidos grasos naturales como palmítico y esteárico, 25 % de oleico, 55 % de linoleico y 5 % de linolénico. Este aceite tiene también un elevado contenido de tocoferoles y fosfatados (1,8 %). El ácido linolénico contiene tres dobles enlaces y es fácilmente oxidable, lo que da como resultado una menor estabilidad de los aceites en el almacenamiento. Durante el proceso de hidrogenación se eliminan los dobles enlaces y mejora su estabilidad.
1.2 Bioetanol
Los procesos industriales de obtención de etanol existentes en la actualidad emplean las siguientes materias primas: cultivos ricos en almidón, melazas de caña, alcoholes residuales de origen vinícola. En Perú se emplea principalmente la caña de azúcar.
1.2.1 Cultivos ricos en almidón
Una de las principales características a tener en cuenta es la cantidad de almidón contenida en los cultivos. Será por tanto un factor determinante a la hora de obtener un rendimiento u otro.
El almidón es un polímero compuesto de unidades de glucosa (D-glucosa), que a su vez están dispuestas formando dos tipos de estructuras poliméricas:
Amilosa: polímero lineal, formado por unidades de glucosa unidas mediante enlaces α (1-4).
Amilopectina: polímero formado por unidades de glucosa unidas mediante enlaces α (1-4) y que presenta ramificaciones aproximadamente cada 25 unidades de glucosa. Estas ramificaciones surgen mediante la formación de enlaces α (1-6) entre las unidades de glucosa.
Las diferencias estructurales existentes entre ambos polímeros vienen determinadas por el tipo de enlace establecido entre las unidades de glucosa. Por ello, a la hora de hidrolizar el almidón para liberar las unidades monoméricas que lo componen, es necesario operar en varias etapas.
Además, es importante destacar que el contenido en amilosa y amilopectina puede variar dependiendo de la materia prima, y va a determinar las condiciones necesarias para llevar a cabo la hidrólisis del almidón.
Dentro de los cultivos ricos en almidón, destaca el grano de cereal (maíz, trigo, cebada y centeno). El maíz es la materia prima que se emplea mayoritariamente en Estados Unidos, mientras que en la Unión Europea las materias primas más utilizadas son el trigo, la cebada y el centeno. También hay que indicar que en los últimos años, China está comenzando la producción de bioetanol a partir de grano de trigo y maíz.
En cuanto a su composición cabe destacar que el trigo, la cebada y el centeno tienen un menor contenido en almidón que el maíz, por lo que la utilización de estos requerirá un sobredimensionamiento de la planta para una misma capacidad de producción.
1.2.2 Melazas de caña
Los principales cultivos azucarados empleados para la producción de jugos (normalmente denominados melazas) que pueden ser fermentados a bioetanol, son la caña de azúcar y la remolacha azucarera.
La caña de azúcar (16,5 % azúcares) se emplea mayoritariamente en Perú y en otros países de clima tropical (como India y Tailandia).
Sin embargo, a pesar de que en la actualidad se están desarrollando procesos capaces de transformar íntegramente este cultivo a bioetanol, es importante destacar que la caña de azúcar es una de las materias primas más importantes para la obtención de azúcar de uso alimentario, y por esta razón los procesos más comunes y desarrollados son los que permiten el aprovechamiento de las melazas obtenidas tras la extracción de este producto.
Existen varios tipos de melazas; las de caña de azúcar son de las más abundantes y se componen básicamente de los jugos azucarados obtenidos tras la cristalización del azúcar en las plantas azucareras.
A primera vista, las melazas pueden parecer la materia prima más adecuada para la producción de bioetanol. Esto es debido a que los azúcares se encuentran libres en el medio líquido y por tanto no es necesario llevar a cabo procesos de hidrólisis como en el caso del grano de cereal u otras materias primas ricas en almidón.
Las melazas de remolacha azucarera suelen tener un menor contenido de azúcares que las de caña, y su composición es mayoritariamente sacarosa.
El grado de concentración de estos jugos se suele medir en grados brix (º Bx). Se trata de una medida que determina el contenido en azúcares de un líquido, si todos los sólidos en suspensión fuesen azúcares.
1.2.3 Alcoholes residuales de origen vinícola (sur de Perú)
Estos alcoholes, procedentes de excedentes vínicos, tienen alrededor de 92 % de etanol. Esto hace que el proceso se simplifique, pues la materia prima de partida es ya un alcohol.
1.3 Biogás
El biogás puede definirse como el producto gaseoso de la descomposición de la materia orgánica en condiciones anaerobias. Dicha descomposición se realiza por la acción de bacterias que transforman la materia orgánica en una mezcla de productos gaseosos, o biogás (fundamentalmente CH4, CO2, H2, H2S), y una mezcla de productos minerales y de compuestos de difícil degradación, denominada digestato.
2. PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES DE PRIMERA GENERACIÓn
Se han clasificado las tecnologías de primera generación según el tipo de biocombustible que se quiera producir, y aunque sean diferentes entre sí, todas ellas presentan las siguientes ventajas respecto a las tecnologías de segunda generación:
– Alto grado de desarrollo tecnológico.
– Plena disposición en el mercado.
– Económicamente más viables.
El alto grado de desarrollo de estas tecnologías hace que en la actualidad resulte más rentable inclinarse por las tecnologías de primera, ya consolidadas, que por tecnologías de segunda, puesto que aún requerirán más tiempo para alcanzar su madurez.
Como anteriormente se ha mencionado, el bioetanol y el biodiésel son los compuestos que básicamente se van a tratar, debido a su relevancia en el mercado.
2.1 Biodiésel por transesterificación
El biodiésel se obtiene mediante la transesterificación. La capacidad de este proceso para tratar diferentes tipos de aceites y grasas da una idea de su flexibilidad y de la ventaja que esto representa.
Los aceites vegetales y las grasas animales utilizados están compuestos principalmente de triglicéridos, que son una combinación de ácidos grasos saturados e insaturados de diferentes pesos moleculares y glicerina. Para obtener el biodiésel es necesario convertir los triglicéridos en ésteres de metilo o etilo, lo cual se consigue a través de una reacción denominada transesterificación. En este proceso se produce la reacción de las tres cadenas de ácidos grasos (cadenas ésteres) de cada molécula de triglicérido con un alcohol (generalmente metanol), produciéndose la separación de estas cadenas de la molécula de glicerina. Esta separación necesita de calentamiento y de un catalizador.
Tras esta separación, llega la unión de las tres cadenas con el alcohol (normalmente metanol o etanol), lo que las convierte en ésteres metílicos o etílicos, es decir en biodiésel.
El biodiésel producido deberá ser de calidad para su correcta comercialización, y para ello deberá cumplir con las respectivas normas de calidad. El subproducto obtenido de la transesterificación, es la glicerina, que tiene aplicaciones en farmacéutica previa purificación.
2.2 Bioetanol
2.2.1 Tecnologías basadas en el uso de cereales
Esta tecnología, además de ser un proceso maduro, también es flexible, ya que es capaz de tratar cualquier tipo de cereal.
El proceso comienza con el pretratamiento de uno o de varios tipos de cereal para un mejor desarrollo de las etapas posteriores. La clave de este proceso está en transformar el máximo contenido de almidón (contenido en la materia) en moléculas de glucosa, llevándose a cabo para ello las etapas de licuefacción y sacarificación.
Una vez obtenidas, se realiza una fermentación para llegar así al alcohol en cuestión. Este alcohol será tratado adecuadamente, hasta el punto de que llegue a cumplir con la normativa existente.
Como subproducto se obtiene DDGS (Dried Distillers Grains with Solubles), producto de alto valor proteico, usado en alimentación animal.
2.2.2 Tecnologías basadas en el uso de jugos azucarados
Esta tecnología procesa materias primas ricas en azúcares, como son las melazas, obtenidas de la propia caña de azúcar.
El objetivo en este proceso es transformar los azúcares en bioetanol, y para ello no es necesario realizar etapas de licuefacción ni sacarificación, bastaría simplemente con realizar una fermentación directa para obtener el bioetanol.
2.2.3 Tecnologías basadas en destilación de residuales vínicos
En este proceso, a diferencia de los dos anteriores, la materia prima tratada es ya un alcohol bruto procedente de excedentes vínicos.
El proceso básicamente se compone de destilaciones, que serán las encargadas de eliminar los componentes indeseados en el alcohol y de conseguir un etanol que cumpla con las respectivas normas de calidad.
2.3 Biogás y transformaciones bioquímicas
El proceso de formación del biogás se genera partir de las reacciones de degradación de la materia orgánica, donde se produce una serie de reacciones químicas y bioquímicas por acción de microorganismos, los cuales llevan a cabo biotransformaciones específicas. Estas reacciones se llevan a cabo en un ambiente reductor, libre de oxígeno u otros oxidantes fuertes. Este proceso se conoce como digestión anaerobia, que en términos generales podemos desarrollar en tres etapas fundamentales:
– Primera etapa:
Se produce una hidrólisis y fermentación, la cual es llevada a cabo por bacterias hidrolíticas y acidogénicas que degradan los hidratos de carbono, lípidos y proteínas, por lo que se generan ácidos grasos volátiles, hidrógeno, amoniaco y dióxido de carbono.
– Segunda etapa:
Se produce ácido acético, dióxido de carbono e hidrógeno a partir de los ácidos grasos volátiles. Esta fase se denomina acetogénesis.
– Tercera etapa:
Denominada metalogénesis. Se produce dióxido de carbono y metano mediante bacterias metanogénicas, las cuales son anaerobias estrictas.
Tras este proceso se genera un biogás que contiene un alto porcentaje de metano, CH4 (entre 50 y 70 %), por lo que puede ser empleado para producir energía mediante su combustión en motores, turbinas o calderas.
La composición del biogás es variable y depende del sustrato digerido y del tipo de tecnología utilizada, pero suele estar en torno a los siguientes valores:
– 50-70 % de metano (CH4).
– 30-40 % de dióxido de carbono (CO2).
– ≤ 5 % de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S) y otros gases.
En general, el biogás se genera a partir de residuos orgánicos (ganaderos, agrícolas, urbanos, lodos procedentes de tratamiento de aguas residuales…). Las dos principales materias primas utilizadas son, por un lado, los cultivos energéticos, dedicados exclusivamente a la producción de biogás (como pueden ser el maíz, cereales, sorgo, forraje) y de los que se obtiene un elevado rendimiento energético, y por otro, el uso de residuos orgánicos.
Esta segunda opción, aunque quizás con menor rendimiento energético, aparte de la producción de energía renovable, tiene una serie de ventajas, como la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, pues evita las emisiones que se producirían por la fermentación de los residuos orgánicos, y a su vez impide la contaminación de los suelos y las aguas donde se vierten estos residuos.
Su valor energético como combustible depende del contenido de metano. Por ejemplo, para un biogás con contenido medio de metano de un 60 %, se tiene un poder calorífico en torno a 6,4 kWh/Nm3. Esto equivale a 0,8 litros de gasolina, a 0,6 m3 de gas natural o 0,3 kg de carbón.
Desde el punto de vista de la tecnología empleada en la producción de biogás, existen varios diseños de reactor. Los básicos son el reactor en flujo pistón y el reactor de mezcla completa discontinuo (ver figura 4). En la figura 5 se muestra un diagrama conceptual para la purificación del biogás proveniente del reactor.
3. BIOCOMBUSTIBLES E INSUMOS DE SEGUNDA GENERACIÓN
Los biocombustibles de segunda generación se definen por características que se describen a continuación:
– Utilizan materias primas no convencionales (lignocelulósicas u otras).
– Presentan una elevada capacidad de reducción de las emisiones de efecto invernadero y de ahorro energético.
– Se obtienen a partir de procesos complejos.
– Son producidos de manera sostenible.
– Estas materias primas (lignocelulósicas u otras) presentan una clara ventaja frente a las convencionales: no compiten con el mercado alimentario y por tanto están fuera de polémica social.
– Con ellas se consigue un aumento en el rango de materias para la producción de biocombustibles, y se reduce aún más el riesgo de depender de una sola, como es el caso del petróleo en los combustibles fósiles.
– Dentro de la gran variedad de materias primas, lo realmente importante no es la elección de una de estas, sino que independientemente de cuál se escoja, el biocombustible debe ser producido de una manera sostenible. Así, por tanto, serán igual de válidas tanto las tecnologías de primera como las de segunda.
– Los procesos denominados de segunda generación son procesos complejos que aún no tienen un grado de desarrollo como pueden tener los de primera (se encuentran en una fase preindustrial), pero, sin lugar a dudas, tendrán una disponibilidad comercial en un periodo muy breve de tiempo, y además serán necesarios para, junto con los de primera, lograr reducir la dependencia energética y los efectos medioambientales.
Las materias primas utilizadas en tecnologías de transformación de segunda generación son las algas y la biomasa lignocelulósica, que describiremos.
3.1 Algas para la obtención de biodiésel y bioetanol
Las algas son organismos vegetales que necesitan tres componentes esenciales para su desarrollo: luz, anhídrido carbónico y agua.
Algunas especies contienen un alto contenido en grasas que resultan determinantes para la producción de aceites, las cuales son necesarias para la obtención de biodiésel (materia lipoalgal). Las más apropiadas son las microalgas.
Los cultivos de algas comenzaron en los años sesenta en Japón, para la industria alimentaria, y en el año 1978 se inició el desarrollo de cultivos de algas para la producción de biocombustibles. Actualmente, hay diversos centros de investigación que están desarrollando nuevas variedades de algas, y los rendimientos van mejorando constantemente. Estos son prometedores, pero habrá que esperar un mayor escalado para poder tener datos más fiables.
Algunas especies contienen materia lignocelulósica que puede aprovecharse para la producción de bioetanol, mediante hidrólisis y fermentación.
3.2 Biomasa lignocelulósica para obtener bioetanol
La biomasa lignocelulósica engloba una gran parte de los materiales con alto contenido de celulosa que se generan como residuos en los procesos productivos de los sectores agrícola, forestal e industrial. Dichos materiales son susceptibles de ser utilizados como materia prima para la producción de los productos anteriormente citados. Entre ellos están:
– Los residuos agrícolas, que proceden de los cultivos leñosos y herbáceos; entre ellos, hay que destacar los producidos en los cultivos de cereal y en algunos otros cultivos con utilidad industrial textil y oleícola.
– La biomasa de origen forestal, que proviene de los tratamientos silvícolas y de la mejora y mantenimiento de los montes y masas forestales.
– La biomasa de origen industrial, que engloba aquellos residuos generados en las industrias, como la papelera, y la fracción orgánica de los residuos sólidos industriales. Muchos de estos residuos no solo tienen un valor económico en el contexto en el que se generan, sino que suelen provocar problemas ambientales durante su eliminación.
– Los cultivos energéticos, que incluyen cultivos de naturaleza herbácea y forestal.
La biomasa lignocelulósica presenta una estructura compleja compuesta de tres fracciones de biomasa seca, que deben ser procesadas por separado para asegurar una conversión eficiente de este tipo de materiales a etanol; estas tres fracciones son: la celulosa (40-60 %), la hemicelulosa (20-40 %) y la lignina (10-25 %). De esta forma, puede decirse que el complejo lignocelulósico es una especie de matriz de carbohidratos compuesta de celulosa y lignina, enlazada por cadenas de hemicelulosa.
La celulosa está compuesta de cadenas largas de moléculas D-glucosa unidas por enlaces beta (1-4), que, a su vez, se agrupan en estructuras superiores de gran cristalinidad, lo que dificulta su hidrólisis y conversión a azúcares fermentables. Sin embargo, una vez que se producen los azúcares simples, pueden fermentarse sin dificultad.
La celulosa puede ser hidrolizada a etanol mediante procesos ácidos o enzimáticos.
La hemicelulosa está formada por polímeros de azúcares de cinco átomos de carbono (principalmente xilosa). Esta fracción es fácilmente hidrolizable, ya que no presenta estructura cristalina; sin embargo, la xilosa es un azúcar difícil de fermentar a etanol.
La lignina es un polímero tridimensional de unidades de fenil-propano ligadas por enlaces éster y carbono-carbono.
Además de estas tres fracciones, la biomasa lignocelulósica posee un pequeño porcentaje de cenizas.
4. PRODUCCIÓN DE SEGUNDA GENERACIÓN DE COMBUSTIBLES
Los compuestos que se pueden obtener a partir de tecnologías de segunda generación son muchos. Los principales compuestos se pueden observar en las figuras 6 y 7.
4.1 Biodiésel a partir de especies no alimentarias
El biodiésel a partir de materia no alimentaria se puede obtener de la siguiente manera:
– Aceite de especies no alimentarias de cultivos en suelos no arables o similares.
– Materia lipoalgal, que corresponde al aceite de algas.
En cuanto al proceso se refiere, la tecnología de extracción será diferente a la empleada con materias convencionales.
Las algas se cultivan en balsas, tubos o canales de escasa profundidad, para permitir una mayor iluminación. Una vez desarrolladas y aportando debidamente los componentes esenciales, se extraen de su medio de crecimiento mediante un adecuado proceso de separación, y se extrae el aceite. Finalmente, tendrá lugar la conversión de este a biodiésel mediante la reacción de transesterificación.
4.2 Bioetanol a partir de productos lignocelulósicos
El bioetanol de la lignocelulósica se obtiene a partir de:
– Materia lignocelulósica de especies no alimentarias de cultivos en suelo no arable.
– Materia lignocelulósica algal (algas).
Existen tres procesos para la obtención del bioetanol:
– Proceso de obtención de bioetanol mediante hidrólisis enzimática y fermentación (bioquímico).
– Proceso de obtención de bioetanol mediante gasificación y fermentación (mixto o combinado).
– Proceso de obtención de etanol mediante gasificación y síntesis (termoquímico).
De los tres procesos, el termoquímico presenta mayor robustez en cuanto a las condiciones del proceso, ya que no requiere la presencia de seres vivos (levaduras, etc.), como sucede en el caso de las rutas mixta y bioquímica.
El aprovechamiento de la materia prima es otro factor a tener en cuenta, pues según qué proceso se escoja, ésta se consumirá parcial o totalmente. En el caso de las vías termoquímicas y mixtas, el aprovechamiento de la materia para la conversión a bioetanol es total; mientras que en la vía bioquímica solo se aprovechan los hidratos de carbono presentes en la materia prima de partida.
Estas son algunas de las diferencias que pueden presentar entre sí, pero la elección de un proceso u otro requerirá de un estudio muy minucioso, ya que se dependerá de múltiples factores.
4.3 Dimetiléter a partir del metanol y del gas de síntesis
El dimetiléter (DME) es un combustible sintético que no se suele obtener a partir de la refinación del petróleo.
Existen dos procesos para la obtención del DME:
– Síntesis en dos etapas a partir del metanol:
Primero se sintetiza el metanol, que posteriormente es deshidratado para obtener el DME. Este es el proceso más empleado.
– Producción directa a partir del gas de síntesis:
Es un proceso relativamente nuevo, a partir de la mezcla CO/H2. Se encuentra en desarrollo y puede resultar más eficiente en términos económicos y de consumo energético, comparado con el método de metanol.
4.4 Obtención del hidrógeno
El proceso más común de obtención de H2 es a partir del gas natural, sin embargo también existen otras fuentes potenciales de producción, como es el caso de la biomasa, y sobre todo mediante la electrólisis del agua.
La producción de hidrógeno a partir del gas de síntesis obtenido mediante gasificación de biomasa se encuentra en una etapa experimental, debido a la mayor complejidad del proceso de gasificación y al menor contenido en hidrógeno de la biomasa con respecto al gas natural.
4.5 Biocombustibles Fischer-Tropsch
El proceso Fischer-Tropsch (FT) permite obtener combustibles similares a los que se obtienen a partir del refinado del petróleo, y es un proceso que presenta mayor flexibilidad, porque permite dirigir la síntesis y lograr las características deseadas del producto. Se pueden obtener dos tipos de combustibles con las siguientes características:
– Elevado número de cetano (>74) y contenido nulo en compuestos aromáticos.
– Moderado número de cetano (60) y bajo contenido en compuestos aromáticos (<15 %).
Como ya se ha dicho, las propiedades del diésel FT son muy similares a las del diésel derivado del petróleo, por tanto, es perfectamente compatible con la red de almacenamiento, distribución y manejo existente para el diésel fósil, sin necesidad de realizar modificaciones.
Los fabricantes de automóviles aceptan su empleo en motores Diésel, aunque aconsejan la adición de aditivos para mejorar su lubricidad, pues es menor que la del diésel fósil. Por ello, a la hora de emplearlo como combustible en los motores Diésel, es conveniente adicionar un lubricante que podría ser el propio diésel e incluso el biodiésel.
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