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EVALUACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE MEZCLAS DE BIODIESEL A PARTIR DEL ACEITE DE COCINA USADO, A CONDICIONES AMBIENTALES DE LA CAPITAL DEL VALLE DEL CAUCA
EDUARDO JOSÉ OCHOA LOZANO
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA SANTIAGO DE CALI 2011
EVALUACIÓN DE LA COMBUSTIÓN DE MEZCLAS DE BIODIESEL A PARTIR DEL ACEITE DE COCINA USADO, A CONDICIONES AMBIENTALES DE LA CAPITAL DEL VALLE DEL CAUCA
EDUARDO JOSÉ OCHOA LOZANO
Proyecto de Grado Optar el título de Ingeniero Mecánico
Director JOSÉ LUIS GERARDO RAMÍREZ DUQUE Ingeniero mecánico Magister en Ingeniería Mecánica
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECÁNICA SANTIAGO DE CALI 2011
Nota de Aceptación Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecánico
ALFREDO ARAGÓN Jurado
LUZ MARINA FLÓREZ Jurado
Santiago de Cali, 5 de diciembre de 2011 3
Este trabajo se lo dedico a mis padres, abuela y amigos que han hecho posible el desarrollo de este proyecto y que gracias a ellos y a su gran esfuerzo, paciencia y dedicación he logrado llevar a feliz término esta gran etapa de mi vida.
4
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mi director de proyecto de grado José Luis Ramírez, al personal de los laboratorios de ingeniería mecánica de la Universidad Autónoma de Occidente, profesores de facultad, al grupo de investigación GRUBIOC, a Cenicaña por suministrarme la información ambiental requerida y amigos por facilitarme los procesos necesarios para que este proyecto se llevara a cabo de manera satisfactoria. También gradezco a mi familia por su apoyo incondicional en todo este largo proceso de preparación y aprendizaje.
5
CONTENIDO
Pág. 14
GLOSARIO RESUMEN
16
INTRODUCCIÓN
17
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
21
1.1 ANTECEDENTES
21
1.2 FORMULACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
24
2. JUSTIFICACIÓN
26
3. OBJETIVOS
27
3.1 OBJETIVO GENERAL
27
3.2 OBJETIVOS ESPEÍFICOS
27
4. MARCO REFERENCIAL
28
4.1 MARCO TEÓRICO
28
4.1.1. Ciclo Diesel
28
4.1.2. Parámetros del motor Diesel
30
4.1.3. Proceso de admisión
32
4.1.4. Proceso de compresión
33
4.1.5. Proceso de combustión
34
4.1.6. Proceso de expansión
40
4.1.7. Proceso de escape o rechazo de calor
41
6
4.2 EL COMBUSTIBLE
43
4.3 MARCO CONCEPTUAL
45
4.4 MARCO HISTÓRICO
46
4.5 MARCO LEGAL COLOMBIANO
48
5. METODOLOGÍA
52
5.1 MÉTODO DE INVESTIGACIÓN
54
6. RESULTADOS
56
6.1 DISEÑO FACTORIAL
56
6.2 MEZCLAS GRUESAS
62
6.2.1 Concentraciones de NO en las tres jornadas
62
6.2.2 Concentraciones de NO2 en las tres jornadas
64
6.2.3 Concentraciones de NOx en las tres jornadas
66
6.2.4Concentraciones de SO2 en las tres jornadas
78
6.2.5Concentraciones de CO en las tres jornadas
71
6.2.6 Consumo en las tres jornadas
73
6.3 MEZCLAS FINAS
75
6.3.1 Concentraciones de NO en las tres jornadas
75
6.3.2 Concentraciones de NO2 en las tres jornadas
77
6.3.3Concentraciones de NOx en las tres jornadas
79
6.3.4Concentraciones de SO2 en las tres jornadas
81
6.3.5 Concentraciones de CO en las tres jornadas
83
6.3.6 Consumo en las tres jornadas
85 7
6.4 COMBUSTIÓN TÉORICA DE LAS MEZCLAS
86
6.5 PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS
89
7. CONCLUSIONES
90
BIBLIOGRAFÍA
92
8
LISTA DE CUADROS
Pág. Cuadro 1. Propiedades químicas del biodiesel – NTC 5444
51
Cuadro 2. Datos con Biodiesel
57
Cuadro 3. Datos con aceite de Higuerilla
57
Cuadro 4. Factores y niveles del diseño experimental
57
Cuadro 5. Factores del diseño experimental
58
Cuadro 6. Tabulación del experimento
60
Cuadro 7. Propiedades de las mezclas
89
9
LISTA DE FIGURAS
Pág. Figura 1. Diagrama P-V de un ciclo diesel ideal
29
Figura 2. Diagrama T-S de un ciclo diesel ideal
30
Figura 3. Diagrama motor diesel en función del ángulo de giro
37
Figura 4. Concentración de NO en la mañana
62
Figura 5. Concentración de NO en la tarde
62
Figura 6. Concentración de NO en la noche
63
Figura 7. Concentración de NO2 en la mañana
64
Figura 8. Concentración de NO2 en la tarde
64
Figura 9. Concentración de NO2 en la noche
65
Figura 10. Concentración de NOx en la mañana
66
Figura 11. Concentración de NOx en la tarde
66
Figura 12. Concentración de NOx en la noche
67
Figura 13. Concentración de SO2 en la mañana
68
Figura 14. Concentración de SO2 en la tarde
69
Figura 15. Concentración de SO2 en la noche
69
Figura 16. Concentración de CO en la mañana
71
Figura 17. Concentración de CO en la tarde
71
Figura 18. Concentración de CO en la noche
71
Figura 19. Consumo en la mañana
73
Figura 20. Consumo en la tarde
73 10
Figura 21. Consumo en la noche
73
Figura 22. Concentración de NO en la mañana
75
Figura 23. Concentración de NO en la tarde
75
Figura 24. Concentración de NO en la noche
75
Figura 25. Concentración de NO2 en la mañana
77
Figura 26. Concentración de NO2 en la tarde
77
Figura 27. Concentración de NO2 en la noche
77
Figura 28. Concentración de NOx en la mañana
79
Figura 29. Concentración de NOx en la tarde
79
Figura 30. Concentración de NOx en la noche
79
Figura 31. Concentración de SO2 en la mañana
81
Figura 32. Concentración de SO2 en la tarde
81
Figura 33. Concentración de SO2 en la noche
81
Figura 34. Concentración de CO en la mañana
83
Figura 35. Concentración de CO en la tarde
83
Figura 36. Concentración de CO en la noche
83
Figura 37. Consumo en la mañana
85
Figura 38. Consumo en la tarde
85
Figura 39. Consumo en la noche
85
11
LISTA DE ANEXOS
Pág. Anexo A. Hoja de control
97
Anexo B. Tacómetro SHIMPO
99
Anexo C. Pistola infrarroja OAPTON INFRAPRO 5
99
Anexo D. Motor Diesel 4 cilindros en línea 4 tiempos
100
Anexo E. Propiedades físico-químicas del aceite usado en frituras
100
Anexo F. Freno Prony
101
Anexo G. Fluviómetro
101
Anexo H. Tipo de energías más utilizadas en Latinoamérica y el Caribe
102
Anexo I. Incidencia de la altura en los motores
102
Anexo J. Países potencia en producción de biodiesel, 2005
103
Anexo K. Analizador de gases TESTO 350
103
Anexo L. Especificaciones del motor
104
Anexo M. Contaminantes y sus efectos
105
Anexo N. Variables medidas para B0
106
Anexo O. Variables medidas para B3
107
Anexo P. Variables medidas para B6
108
Anexo Q. Variables medidas para B9
109
Anexo R. Variables medidas para B12
110
Anexo S. Variables medidas para B15
111
Anexo T. Variables medidas para B20
112
12
Anexo U. Variables medidas para B40
113
Anexo V. Variables medidas para B60
114
Anexo W. Variables medidas para B80
115
Anexo X. Variables medidas para B100
116
Anexo Y. Diseño Experimental
117
Anexo Z. Cálculos de combustión
121
13
GLOSARIO
BIODIESEL: es un combustible líquido que puede ser obtenido a partir de aceites vegetales o grasas animales.
CIGÜEÑAL: es un eje acodado que transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme.
COMBUSTIBLES FÓSILES: son recursos no renovables que se formaron hace millones de años con restos orgánicos de animales y plantas que junto con las reacciones químicas de la descomposición dieron origen a recursos como el carbón, el petróleo y el gas natural.
CRAQUEO: es un proceso químico con el que se rompen moléculas de algún compuesto para obtenerlos de manera más simple implementando altas temperaturas y presión.
ESTEQUIOMETRÍA: en una reacción química, es la ciencia que mide las proporciones de relaciones de masa de los elementos químicos que están implicados.
PETRÓLEO: es un recurso natural no renovable y la principal fuente de energía en casi todo el mundo.
PIRÓLISIS: es el proceso de descomposición química de la materia orgánica y cualquier tipo de materiales, mediante el calentamiento sin presencia de dioxígeno, exceptuando metales y vidrios.
PMS: punto muerto superior, es la posición máxima que alcanza el pistón en una carrera en sentido ascendente
PMI: punto muerto inferior, es la posición máxima que alcanza el pistón en una carrera con sentido descendente
14
PROCESO ISENTRÓPICO: es aquel en el que la entropía del fluido que forma el sistema permanece constante.
PROCESO POLITRÓPICO: son aquellos procesos termodinámicos para gases ideales que cumplen con la ecuación: PVa = cte.
TRANSTERIFICACIÓN: es un proceso mediante el cual se cambia un grupo alcoxi de un éster, es decir, un grupo alquilo unido a un átomo de oxígeno, por algún otro alcohol implementando una base o un ácido.
15
RESUMEN
En el presente proyecto de grado encontrará una caracterización del aceite de cocina usado donde se tuvieron en cuenta los factores medio ambientales como temperatura ambiente y porcentaje de humedad relativa, como posibles variables que pudieron afectar la combustión del motor diesel. Para realizar la parte experimental se usaron equipos de medición de gases, de temperatura, de potencia y de rpm. Para poder identificar cambios según las condiciones ambientales, la toma de datos se realizó en las jornadas de la mañana, tarde y noche. También se realizó un diseño experimental factorial donde se compararon algunos datos de gases del biodiesel de aceite de cocina usado con resultados obtenidos en otra investigación de la Universidad Autónoma de Occidente, donde se utilizó el aceite de higuerilla, con el fin de determinar la viabilidad del uso del combustible de esta investigación.
El fin de esta investigación fue encontrar como se comportaba el motor diesel al usar este combustible en diferentes mezclas y a horarios del día para ver la incidencia del ambiente, además de encontrar la mezcla más óptima que se puede utilizar en la ciudad de Santiago de Cali.
Es importante generar conocimiento respecto a las nuevas formas de combustible debido a problemáticas ambientales como el calentamiento global y el declive en la producción petrolera, además del aumento desmedido en los precios de este. Esto se ha convertido en un gran reto para la comunidad internacional ya que se hace necesaria la búsqueda de recursos que sean renovables, más amigables con el ambiente y con un costo mucho menor.
PALABRAS CLAVE: Combustión, poder calorífico, gases de combustión, biodiesel, contaminación.
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INTRODUCCIÓN
El petróleo es quizá uno de los mayores generadores de desarrollo a nivel mundial desde el siglo XX, pues gracias a este se desarrolló en gran medida la agricultura, la industria y los medios de transporte que permitieron potencializar las zonas productivas de todo el mundo incrementando la producción y el comercio en todos los rincones del planeta. Sin embargo, por sus grandes avances y propiedades, la gente y la sociedad empezaron a generar un nivel de dependencia muy alto de la energía y de los productos que provienen del petróleo que ahora, puede decirse que subsisten gracias a él. Actividades como el transporte, la ganadería, la minería, la industria, la producción eléctrica, entre muchas otras, son casi que estrictamente dependientes del petróleo, pues fue gracias a éste que se facilitó la mecanización de la agricultura y la extensión de los regadíos al ser utilizado como energía y así mismo puede emplearse en la fabricación de insecticidas, abonos y conservantes alimenticios.1
Puede decirse que en el modelo de producción y distribución actual, por cada caloría de alimento que llega al consumidor final, se necesita un promedio de ocho calorías de petróleo. El petróleo forma parte de la cotidianidad de los seres humanos pues está presente desde cosméticos, lubricantes, pvc, detergentes, asfaltos, medicamentos, hasta para el mantenimiento de servicios básicos urbanos como el suministro de agua. Por esta razón y por la dependencia tan grande que la sociedad tiene de este combustible es que cualquier variación en el precio del mismo, afecta absolutamente todos los sectores económicos.2
En las últimas décadas ha tomado gran importancia la temática de la contaminación ambiental que conlleva al uso de combustibles fósiles, dado el gran efecto que produce sobre la capa de ozono del planeta, además de los problemas de salud que pueden llegar a provocar en la población.
A raíz de éste inconveniente, fue surgiendo la búsqueda de fuentes de energía que fueran más amigables con el medio ambiente con el fin de minimizar el impacto que produce el material particulado, las emisiones de gases y todo tipo de contaminante que interviene en la aceleración de procesos de efecto invernadero en el planeta. De ahí nace el tratado de Kyoto, que no es más que un compromiso 1
El mundo ante el Cenit del Petróleo [en línea]: Informe sobre la Cúspide de la producción mundial de petróleo. Caixa de Catalunya: Asociación para el Estudio de los Recursos Energéticos AEREN, 2006 [Consultado en Julio 4 de 2011]. Disponible en Internet: http://www.crisisenergetica.org/ficheros/El_mundo_ante_el_cenit_del_petroleo.pdf 2 Ibid., Disponible en Internet: http://www.crisisenergetica.org/ficheros/El_mundo_ante_el_cenit_del_petroleo.pdf
17
adoptado por los países industrializados para reducir las emisiones de gases en un porcentaje aproximado de un 5%, ya que se ha demostrado que la mayoría de contaminantes arrojados a la atmósfera son provenientes de los vehículos automotores, por lo que se convierte en una necesidad inmediata el mejorar los niveles de calidad del combustible.3
El constante aumento en el precio de los combustibles, fue otra de las razones que motivaron la búsqueda de otras fuentes de energía más económicas. En el caso de Colombia, por ejemplo, el precio del galón al público era de $3,101.72 con un subsidio de $2.412.31 el cual fue reducido a $1.486.41 en el año 2004 y el precio del galón aumentó a $5.514.03 más impuestos gubernamentales4, el precio actual del Diesel, según el Ministerio de Minas y Energía es $ 7.949.05.
El tema de la producción sostenible de energía se convierte en un reto para la región. Existen múltiples obstáculos para el continente americano en el sector energético que se ven mayormente afectado por la crisis económica mundial. Los combustibles fósiles siguen siendo la principal fuente de energía de toda la región, el petróleo y el gas representan el 71% de suministro energético; “las previsiones sugieren que para los próximos 25 años el gas y el petróleo seguirán dominando el suministro de energía de la región. Comparativamente, las previsiones en energía renovable siguen siendo relativamente pequeñas”5 (ver anexo H).
El biodiesel es un combustible líquido que puede ser obtenido a partir de aceites vegetales o grasas animales. Su uso se conoce desde la invención del motor diesel por parte de Rudolf Diesel. Desde el siglo XXI se empezó a desarrollar para el uso en automóviles como una opción distinta a los combustibles derivados del petróleo; “entre los años 2000 y 2007 la producción de biodiesel pasó de 1000 millones de litros a casi 11000 millones, lo cual indica que el biocombustible
3
Protocolo de Kyoto de la convención Marco de las Naciones Unidas sobre el cambio climático [en línea]. Nueva York: United Nations Framework Convention on Climate Change, 1998. [Consultado el 12 Mayo de 2011]. Disponible en Internet: http://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpspan.pdf 4 Estudio sobre la factibilidad técnica y económica de la producción en Colombia de los derivados del aceite crudo de palma como carburantes para motores de ciclo Diesel [en línea]. Bogotá: Arturo Infante Villareal y Ecología y Entropía LTDA. [Consultado 12 de Junio de 2011]. Disponible en Internet: http://www.fincaparaventa.com/pdf/Biodiesel.pdf. 5 Seguridad Energética para el Desarrollo Sostenible de las Américas [en línea]. Ciudad de Panamá: Organización de los Estados Americanos OEA, Secretaría Ejecutiva para el Desarrollo Integral, 2007 [Consultado el 22 de Junio de 2011]. Disponible en Internet: http://www.oas.org/dsd/spanish/Documentos/EnergySecurity_SPA.pdf
18
líquido supone el 1,8% de la porción total del combustible utilizado en el transporte del mundo”6.
Según un informe de la Corporación para el Desarrollo Industrial de la Biotecnología y Producción limpia, CORPODIB, si se reemplazara en un motor el petrodiesel por B100 al menos en los buses urbanos, la reducción neta de las emisiones pude llegar a ser hasta del 79%, del material particulado un 32%, del CO un 35% y de SO2 un 8%. Si se usara una mezcla de B20 la reducción sería hasta de un 16% en las emisiones contaminantes, del CO un poco más del 8%, del material particulado 8% y SO2 alrededor del 1%. La potencia con el uso de mezclas aumenta un 18% en comparación con el petrodiesel.7 Sus grandes ventajas tales como no requerir modificaciones mayores para su uso en los motores, gran poder de lubricación en los mismos, tiene rendimientos similares al ACPM, es biodegradable y no tóxico, puede mezclarse en cualquier porcentaje con el ACPM, proviene de fuentes renovables. Presenta desventajas como problemas de fluidez a bajas temperaturas, escasa estabilidad oxidativa, no se debe almacenar por períodos superiores a 6 meses. El poder solvente lo hace incompatible con algunas partes plásticas del motor y se puede presentar taponamiento al inicio en los filtros del motor debido a su poder detergente. Además, aumento de compuestos de NOx8 y un grave problema es que para su masiva implementación en el mundo se necesitarían grandes extensiones de tierras, lo cual pondría en desventaja a países que no tuviesen demasiado terreno para cultivar, además de provocar una crisis alimentaria, dado que ya no se cultivaría alimento para el consumo humano sino para la producción de biodiesel.
El biodiesel obtenido a partir de aceite de cocina usado es una alternativa novedosa, dado que no necesitaría de grandes extensiones de tierra para su obtención y no pondría en riesgo la seguridad alimentaria. Además, es obtenido a 6
BRINGENZU, Stefan; SCHÜTZ, Helmut; O´ BRIEN, Meghan; KAUPPI, Lea; HOWARTH W., Robert; Mcneely, Jeff; OTTO, Martina. Hacia la producción y uso sustentable de los recursos: EVALUACIÓN de los Biocombustibles. [en línea]. PNUMA Plan de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. 3 ed. París. ONU. 06 -2009. Available from internet: < www.unep.fr>. p. 10. ISBN 978-92-807-3052-4. 7 Programa Estratégico para la Producción de Biodiesel - Combustible Automotriz- a Partir de Aceites Vegetales [en línea]. Bogotá: Convenio Interinstitucional de Cooperación UPME – Indupalma – Corpodib, 2003 [Consultado Julio 24 de 2011]. Disponible en Internet: http://www.si3ea.gov.co/si3ea/documentos/documentacion/Biodiesel/Produccion_Biodiesel.pdf 8 GARCÍA, J. M; GARCÍA, J. A. “Biocarburantes líquidos: biodiesel y bioetanol”; Informe de Vigilancia Tecnológica; Universidad Rey Juan Carlos, Universidad de Alcalá, CIEMAT, CISME; España; 2006; p. 37. Citado por: ANGANOY ALVAREZ, Adrián Esteban y CABRERA CAMACHO, Camilo Ernesto. Producción de biodiesel en planta piloto a partir de aceite de cocina usado. Trabajo de grado Ingeniero Químico. Santiago de Cali: Universidad del Valle. Facultad de Ingeniería. 2009. p. 22.
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partir de una sustancia que antes era considerada un desperdicio y se arrojaba por los desagües, por ende contaminaba los ríos ya que al ser un compuesto orgánico fabricado por el hombre tiene estructuras moleculares complejas difíciles de degradar por los microorganismos en algunos casos, debido a esto pueden durar en el agua largos períodos de tiempo9.
Al ser una novedosa manera de obtener combustible, es necesario realizar todo tipo de estudios desde el punto de vista de implementación, para así conocer la viabilidad del producto.
El comportamiento de los automóviles se altera por diferentes aspectos, ya sean ambientales y/o atmosféricos, es decir, tanto potencia, consumo y emisiones varían de acuerdo con la posición geográfica en la que se encuentre. Las variables no son las mismas en Bogotá que en Cali, puesto que propiedades como: porcentajes de humedad, el cual afecta los siguientes parámetros: densidad del aire de entrada, relación aire/combustible, eficiencia térmica, eficiencia volumétrica, la presión atmosférica que disminuye la densidad del aire 10 (ver anexo I) y la cantidad de oxigeno en el aire son distintos, lo que puede llegar a afectar la combustión del motor, por ende se vuelve necesario realizar un estudio sobre la combustión a nivel local utilizando este biocombustible. De esta manera se genera conocimiento sobre el tema y además se dan a conocer los porcentajes de mezcla de este biocombustible más eficientes en cuanto a consumo, generación de potencia y gases de combustión se refiere, para automóviles que transiten por la capital del Valle del Cauca.
9
BARBARA H. Luz Edith. Conceptos básicos de la Contaminación del Agua y Parámetros de Medición [en línea]. Santiago de Cali: Universidad del Valle, Biblioteca Virtual de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental, 2002. [Consultado 18 de agosto de 2011]. Disponible en internet: http://www.bvsde.paho.org/bvsaar/e/fulltext/gestion/conceptos.pdf. p. 17 10 PATIÑO JARAMILLO, Gustavo Adolfo; CASTAÑO, Diego Alberto. Estudio de los Factores que Inciden en el Desempeño de los Motores de Encendido Provocado (MEP) convertidos a gas natural. Trabajo de grado de Ingeniero Mecánico; Trabajo de grado de Ingeniero Químico. Medellín: Universidad de Antioquia. Facultad de Ingeniería, 2003. p. 39 – 41.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1.
ANTECEDENTES
La utilización del biodiesel data desde principios del siglo XX. El creador de la máquina diesel, Rudolf Diesel, utilizaba este tipo de combustibles en sus motores, ya que se presentaba como opción distinta al diesel proveniente del petróleo.
Países con una larga trayectoria en la utilización de biocombustibles (ver anexo 14), han adelantado ya investigaciones sobre su obtención a partir de aceite de cocina usado y sobre sus efectos. El departamento de ingeniería mecánica de la universidad Pamukkale en Turquía, llevó a cabo investigaciones sobre biocombustibles obtenidos a partir de aceite de girasol usado, utilizaron un motor Ford XLD de 1.7 CC enfriado por agua y como resultado obtuvieron que con una mezcla de 17,5% de biodiesel se satisface la potencia y la eficiencia térmica. La prueba se hizo sin ninguna modificación del motor. 11
El departamento de química e ingeniería de materiales de la National Ilan University en Taiwán, realizó pruebas para comparar la formación de gases a diferentes mezclas de combustible, con porcentajes de biodiesel de 20, 50, y 100%, donde como resultado obtuvieron que a B20 la producción de CO fue baja para todas las velocidades, para B50 la producción de CO fue alta para todas las velocidades, excepto a 2000 rpm, que para la concentración B20 fue la más alta. Para una concentración de B100 la concentración de ppm fue más alta que la del diesel puro. 12 El departamento de ingeniería mecánica de la Universidad Politécnico de Hong Kong, China, realizó pruebas con biodiesel obtenido a partir de aceite de cocina usado, con el que se intentó comparar el efecto de la aplicación de este biodiesel con metanol al 10%. Estos experimentos se llevaron a cabo en un motor diesel de 11
USTA, N.; ÖZTÜRK, E.; CAN, Ö.; CONKUR, E.S.; NAS, S.; CON, A.H.; CAN, A.C.; TOPCU, M. Combustion of biodiesel fuel produced from hazelnut soapstock/waste sunflower oil mixture in a Diesel engine [en línea]. Turquía: Mechanical Engineering Department, Pamukkale University, Automotive Department, Pamukkale University, Food Engineering Department, Pamukkale University, 2004. p. 2. [Consultado 16 de agosto de 2010]. Available from Internet: www.sciencedirect.com, www.elsevier.com/locate/enconman. 12 LIN, Yan.; FEN, Greg; WU YO, Ping y CHANG TANG, Chang. Combustion characteristics of waste-oil produced biodiesel/diesel fuel blends [en línea]. Taiwan: Department of Chemical and Materials Engineering, National Ilan University. 2007. p. 3. [Consultado Septiembre 4 de 2010]. Disponible en Internet: www.sciencedirect.com doi:10.1016/j.fuel.2007.01.012
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4 cilindros de aspiración natural de inyección directa. Se desarrolló a una velocidad constante de 1800 rpm a 5 cargas diferentes. Se obtuvo como resultado una disminución de CO2 y NOx, también una reducción de la masa de emisión de partículas y el diámetro de ésta, en comparación con el combustible diesel. 13
En la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad de Castilla – La Mancha en España, se hizo una revisión temática y se hallaron resultados positivos y negativos al mezclar el biodiesel. Labeckas y Slavinskas midieron con diferentes porcentajes de mezlas utilizando 5%, 10%, 20%, 35% y B100 y obtuvieron que la eficiencia térmica máxima se evidenció entre el 5% y 10%. Otro autor, Ramadhas, testeó con un motor de un sólo cilindro con porcentajes de mezclas 10%, 20%, 50%, 75% y B100 obteniendo un máximo en la eficiencia entre B10 y B20 de mezcla. Estas mejoras en las eficiencias pueden deberse a que el biodiesel en bajas concentraciones tiene un comportamiento de lubricante.14
Murillo, por el contrario, encontró sinergias negativas. Este autor testeó mezclas entre diesel convencional y biodiesel de aceite de cocina usado con mezclas de 10%, 30% y 50% y encontró que la eficiencia fue baja, aun más que la obtenida con diesel, pero la eficiencia más alta fue encontrada con biodiesel puro.15
En el caso de los óxidos nitrosos, se dividen en 4 grupos los trabajos de algunos autores. El grupo I, en el cual hay un aumento en los óxidos nitrosos; el grupo II, en el cual sólo aumenta bajo ciertas condiciones; el grupo III, en el cual no se encuentran diferencias entre el diesel y el biodiesel; y el grupo IV, en el cual se han encontrado reducciones de los óxidos nitrosos.16 En el grupo I, el autor Schumacher, puso a prueba un cilindro 6 de 200 KW a 1200 rpm y 2100 y 50% y 100% de la carga con un 10%, 20%, 30% y 40% de mezclas de aceite de soja-
13
CHENG, C.H.; CHEUNG, C.S.; CHAN, T.L.; LEE, S.C.; YAO, C.D. Y TSANG. K.S. Comparison of emissions of a direct injection diesel engine operating on biodiesel with emulsified and fumigated methanol [en línea]. Hong Kong: State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Department of Mechanical Engineering the Hong Kong Polytechnic University, Department of Civil and Structural Engineering The Hong Kong Polytechnic University, 2008. p. 1870–1879. [Consultado 15 marzo de 2011]. Available from internet: www.fuelfirst.com, doi:10.1016/j.fuel.2008.01.002. 14 LAPUERTA, Magín; RODRÍGUEZ-FERNÁNDEZ, José y AGUDELO, John R.. Diesel particulate emissions from used cooking oil biodiesel [en línea]. España: Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, University of Castilla-La Mancha, Gimel Group, University of Antioquia. 2007. p. 7. [Consultado 20 de junio de 2010]. Available from internet: www.sciencedirect.com doi:10.1016/j.biortech.2007.01.033. 15 Ibid., p. 7. 16 Ibid., p. 8.
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biodiesel. Las emisiones de NOx incrementaron hasta un 15% en el caso de la mezcla de 40%.17 En el grupo II, Serdari midió las emisiones de tres diferentes vehículos en movimiento que utilizan combustible diesel con alto contenido de azufre (1800 ppm) y 10% de mezcla de biodiesel con aceite de girasol. Ellos encontraron aumentos y disminuciones en las emisiones de NOx y atribuyeron esas diferencias a la tecnología de los motores y las diferentes condiciones de mantenimiento.18
En el grupo III, Durbin TD, Collins JR, Norbeck JM, Smith MR colocaron a prueba cuatro motores diferentes con diesel, biodiesel puro y una mezcla de biodiesel al 20%. Los motores fueron elegidos para representar una amplia variedad de motores de trabajo pesado: inyección de turbo y de aspiración natural, directos e indirectos. Se encontraron pequeñas diferencias en las emisiones de NOx y los autores concluyeron que no fueron significativas.19
En el grupo IV, Peterson y Reece, utilizaron varias mezclas de combustibles diesel con ésteres tanto etílico y metílico de aceite de colza en vehículos equipados con motores similares de 5,9 l. Los investigadores midieron la reducción de las emisiones de NOx de un 10% tanto con grupos etil y mezclas de esteres metílicos.20
En la Universidad Autónoma de Occidente, Cali, existe una tesis sobre una evaluación de mezclas teniendo en cuenta las condiciones medioambientales de Cali, pero en este caso se utilizó aceite de higuerilla.
1.2.
FORMULACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
El proceso de combustión en un motor diesel es distinto a un Otto, ya que en el diesel no se utilizan bujías que generen una chispa para provocar la combustión. Un motor diesel es un motor de combustión interna donde la combustión se logra con la compresión del aire. La ignición produce una transformación de energía química a energía calorífica y posteriormente a energía mecánica, es decir, la energía química es la existente en sí de la mezcla, al elevar la presión del aire 17
Ibid., p. 8. Ibid., p. 8. 19 Ibid., p. 8. 20 Ibid., p. 9. 18
23
aumenta la temperatura de ésta y al lograr introducir la cantidad de calor necesaria para producir la ignición, esta energía química se transforma en calor; al hacer combustión la mezcla, ésta energía en forma de calor empuja un embolo, el cual genera movimiento, es decir, se transforma en energía mecánica. La potencia generada por el motor está asociada al poder calorífico del biodiesel obtenido a partir de aceites vegetales usados porque posee un menor poder calorífico que el diesel convencional, por tanto se podría decir que al utilizar más biodiesel en la mezcla la potencia generada por el motor va a disminuir.
En un proceso de combustión, mientras en la mezcla exista una concentración de oxigeno óptima ,más eficiente va a ser este proceso, mientras menos porcentaje de oxigeno exista en la mezcla más cantidad de combustible se va a utilizar, debido a que este debe suplir la deficiencia de oxigeno existente, por tanto la cantidad de combustible consumido en función de, “El biodiesel con una concentración de entre 10 y 12% de oxigeno en la combustión causa una reducción en el torque debido a su bajo poder calorífico, pero existen algunos casos donde ocurre un pequeño aumento de la potencia cuando se incrementa el contenido de oxigeno”21. El oxigeno va a variar según los niveles del gas que existan en el medio.
Ya que las variables medio ambientales y atmosféricas tales como: cantidad de oxigeno en el aire, porcentajes de humedad y presión atmosférica de la capital del Valle son muy distintas a las de otras ciudades del país, el comportamiento de un motor es distinto. En un lugar donde la presión sea más baja con relación a otro, va a provocar que la concentración de oxigeno baje, lo que causa que esta deficiencia de oxigeno se supla por más combustible, por ende aumenta el consumo de este y la concentración de gases de combustión. De igual forma en un lugar donde el porcentaje de humedad es muy alto va a producir una combustión incompleta en mayor grado a diferencia de un sitio menos húmedo, debido a que las partículas de agua van a atrapar parte del calor de la combustión, lo cual provoca una disminución en la eficiencia del motor. Al no conocerse estudio alguno sobre la evaluación de la combustión de este combustible - en específico teniendo en cuenta este tipo de variables en la ciudad de Cali, se planteó un proyecto investigativo que consiste en hacer una evaluación teórico práctica de la combustión del motor diesel a diferentes mezclas de biodiesel - diesel, teniendo en cuenta todas las variantes del entorno de la capital del Valle, además determinar las propiedades físico – químicas de las mezclas para saber si cumple o no con la normatividad sobre combustibles establecidas internacionalmente. Teniendo en 21
Combustion of biodiesel fuel produced from hazelnut soapstock/waste sunflower oil mixture in a Diesel engine. Op. cit. Available from internet: www.sciencedirect.com, www.elsevier.com/locate/enconman.
24
cuenta todas las variables que se tratarán en el proyecto, se podrá encontrar cual es la mezcla de combustibles más eficiente, en cuanto a generación de potencia, consumo, impacto ambiental para la ciudad y que cumpla con las normas internacionales.
25
2. JUSTIFICACIÓN
Los combustibles obtenidos a partir de combustibles fósiles son una gran fuente energética con alto poder calorífico, además con grandes reservas a nivel mundial lo que convierte a los hidrocarburos y sus derivados en la principal fuente energética. Su desmedida utilización ha provocado daños medioambientales, “los climatólogos advierten que el incremento detectado en los gases producto de la combustión no tiene precedentes en al menos cientos de miles y, probablemente, millones de años. Entre los gases cuyas concentraciones están aumentando notablemente destaca el dióxido de carbono (CO2), que tiene la propiedad de actuar como “invernadero”, lo que podría estar iniciando una alteración impredecible en el equilibrio climático de nuestra atmósfera”22, prácticamente irreversibles, puesto que al momento de la combustión, los combustibles fósiles liberan gran cantidad de gases tóxicos y nocivos hacia esta.
Los biocombustibles son obtenidos a partir de aceites vegetales o grasas animales, su poder calorífico es inferior al de los combustibles fósiles y requieren de grandes extensiones de tierra de cultivo para su producción poniendo en riesgo la seguridad alimentaria. El biocombustible obtenido a partir de aceites de cocina usado no necesita de grandes extensiones de tierra porque es obtenido de residuos, los cuales son vertidos por los canales de desagüe, contaminando las aguas y además, desperdiciando energía que podría ser utilizada.
Debido a que el comportamiento de un motor varía dependiendo de las condiciones atmosféricas y medio ambientales en las que funciona, es decir, según las condiciones en las que se encuentre, puede consumir más combustible o menos y dependiendo de esto, se generan más o menos gases de combustión y potencia. Por este motivo y por los anteriores mencionados se hace necesario realizar una evaluación de mezclas de este biocombustible a condiciones climáticas de la capital del Valle del Cauca y de esta manera encontrar el porcentaje de mezcla más eficiente, además de generar conocimiento acerca de este biocombustible subutilizado.
22
El mundo ante el Cenit del Petróleo: Informe sobre la Cúspide de la producción mundial de petróleo. [en línea]. Caixa de Catalunya: Asociación para el Estudio de los Recursos Energéticos AEREN, 2006. p. 4 – 7. [Consultado en Julio 4 de 2011]. Disponible en Internet: http://www.crisisenergetica.org/ficheros/El_mundo_ante_el_cenit_del_petroleo.pdf
26
3. OBJETIVOS
3.1.
OBJETIVO GENERAL
Evaluar, en forma teórica y práctica, la combustión de diferentes mezclas diesel con biodiesel de aceite de cocina usado, para determinar la mezcla óptima en cuanto a potencia, consumo y gases de combustión, para las condiciones atmosféricas y medio ambientales de la capital del Valle del Cauca.
3.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Analizar teóricamente la combustión en el motor con el combustible que se va a utilizar, es decir, aplicar los conceptos estequiométricos y de análisis elemental a éste proceso y poder determinar cuáles son los porcentajes de concentración de las moléculas que componen los gases de combustión.
- Obtener propiedades como viscosidad, índice de acidez, y densidad de las mezclas, para poder definir cuales mezclas cumplen con normatividad internacional.
- Realizar las pruebas en el motor diesel con diferentes porcentajes de mezcla y tomar medidas de potencia, consumo y análisis de gases de combustión, de esta manera evaluar los resultados y poder obtener la mezcla óptima.
- Analizar los datos obtenidos de las mediciones de todos los porcentajes de mezcla y determinar cuál es la que cumple con las normas y es más eficiente bajos las condiciones medioambientales de Cali.
27
4. MARCO REFERENCIAL
4.1.
MARCO TEÓRICO
4.1.1. Ciclo Diesel. El ciclo Diesel es un ciclo de 4 etapas, admisión, compresión, expansión y escape que es ideal para las máquinas reciprocantes. El proceso de admisión es un proceso isentrópico que es el momento en que entra el aire al cilindro, la adición de calor se hace a presión constante, la expansión es al igual que la admisión un proceso isentrópico y el rechazo de calor se realiza a volumen constante. En este tipo de máquinas la bujía y el carburador son sustituidos por un inyector de combustible, el aire se comprime hasta alcanzar una temperatura superior a la de ignición lo que provoca la combustión cuando se inyecta el combustible, pues este al entrar a la cámara de combustión pulverizado y al entrar en contacto con el aire a altas temperaturas, las gotas de combustible se evaporan y reaccionan.23
Los motores Diesel son diseñados para operar a altas relaciones de compresión normalmente entre 12 y 24. Los motores Diesel al no tener un autoencendido permite la utilización de combustibles menos refinados lo que reduce los costos de funcionamiento de estos.24
La etapa de adición de calor o inyección de combustible empieza en el momento en que el pistón se acerca al punto muerto superior PMS, esta continúa durante las primeras partes de la etapa de expansión, lo que alarga el proceso de combustión, por esto en el ciclo ideal la adición de calor o combustión se hace a presión constante.25
Todo el desarrollo del ciclo Diesel se realiza en un sistema cerrado, la cantidad de calor que se adiciona Pcste al fluido de trabajo y el rechazo a Vcste (ver figura 1 y 2) se pueden expresar mediante un balance energético.
(1) (2)
23
YUNUS A. Cengel, MICHAEL A. Boles. Termodinámica. Nevada. USA. McGraw – Hill. Edición 5. Julio de 2007. ISBN-13: 978-970-10-5611-0, p. 500. 24 Ibid., p. 500. 25 Ibid., p. 500.
28
La eficiencia térmica del ciclo Diesel que puede variar entre 35% y 40% aproximadamente, se obtiene bajo suposiciones de aire frio estándar. 26
(3)
La relación de corte de adición rc que es una relación de volúmenes del cilindro antes de la combustión y después de esta.27
(4)
Estos motores funcionan con una relación mucho mayor de aire – combustible que los encendidos por chispa.
Figura 1. Diagrama P-V de un ciclo diesel ideal.
Fuente: YUNUS A. Cengel, MICHAEL A. Boles. Termodinámica. Nevada. USA. McGraw – Hill. Edición 5. Julio de 2007. ISBN-13: 978-970-10-5611-0.
26 27
Ibid., p. 501. Ibid., p. 501.
29
Figura 2. Diagrama T-S de un ciclo diesel ideal.
Fuente: YUNUS A. Cengel, MICHAEL A. Boles. Termodinámica. Nevada. USA. McGraw – Hill. Edición 5. Julio de 2007. ISBN-13: 978-970-10-5611-0. p. 500.
4.1.2. Parámetros del motor diesel. Existen algunos parámetros muy importantes a tener en cuenta en los motores diesel, tales como la cilindrada, la relación de compresión, el torque, la potencia y el rendimiento del motor.
4.1.2.1. Cilindrada. Este es un parámetro muy importante con el cual se define el punto inicial, también teniendo en cuenta otros valores, para especificar o definir la potencia de salida generada por el motor. El valor de este parámetro se determina entre el volumen del P.M.S (punto muerto superior) y el volumen del P.M.I (punto muerto inferior), este valor se multiplica por el número de cilindros que tenga el motor28. Se determina con la siguiente ecuación: (5)
Donde s es la carrera del cilindro y No es el número de cilindros. 4.1.2.2. Relación de compresión. La relación de compresión es un parámetro que influye en gran medida en la producción de potencia de un motor, a mayor relación de compresión el motor generará más potencia. La relación de compresión se calcula con la siguiente ecuación: 28
ARAGON SALAZAR, Alfredo. El motor diesel y sus pruebas de laboratorio. Trabajo de grado para optar por el título de Ingeniero Mecánico. Santiago de Cali: Universidad Autónoma de Occidente. Facultad de Ingeniería, 1996. p.18.
30
(6)
Donde V es el volumen del cilindro y combustión.29
es el volumen de la cámara de
4.1.2.3. Torque. El torque es producido en el instante de la combustión cuando en el cilindro se produce una presión que empuja el pistón, tal presión multiplicada por el área del pistón se convierte en una fuerza. Esta fuerza es transmitida hasta una sección llamada muñón de apoyo lo que produce el giro. El giro se produce en el muñón de bancada, de esta forma la distancia entre centro de muñones se toma como una palanca y esta distancia multiplicada por la fuerza nos da el valor del torque.
Este parámetro es de gran importancia en la generación de potencia, es más importante que las rpm a la hora de seleccionar un motor de combustión interna.30
4.1.2.4. Potencia. ecuación:
Este parámetro es posible calcularlo mediante la siguiente (7)
Donde P es potencia en watios, W es la velocidad angular en Rad/seg, y T torque en N/m. Esta medida es definida como la capacidad de un motor para generar un trabajo en una unidad de tiempo. En un motor se pueden aumentar las rpm hasta un punto donde se alcanza un torque máximo el cual es considerado como el punto de rendimiento óptimo del motor, esto no quiere decir que sea el de potencia máxima, sin embargo la velocidad puede seguir aumentando al igual que la potencia aunque el rendimiento sea menor.31
4.1.2.5. Rendimiento de un motor. En todo el proceso de combustión la energía de entrada al sistema es menor que la desarrollada en el cigüeñal, esto se debe a diversos factores que producen perdidas de energía a lo largo del proceso tales como las pérdidas de calor a través de las paredes de los cilindros y las culatas, también por la fricción presente entre los elementos móviles que componen el cilindro pistón. Cuando se diseña un motor se busca que la relación entre energía 29
Ibid., p. 19. Ibid., p. 19 – 21. 31 Ibid., p. 21 – 22. 30
31
suministrada y desarrollada sea de un valor unitario. Este valor es estimable mediante la relación de la cantidad de energía desarrollada en el cigüeñal y la energía de entrada o energía suministrada por el combustible.
El rendimiento global de un motor esta subdividido en 3 medidas de rendimiento: Rendimiento termodinámico: que es el nivel de eficiencia con que el motor utiliza la energía suministrada, es decir, qué nivel de aprovechamiento de calor presenta el motor.
Rendimiento cualitativo: este rendimiento es el que se ve afectado por factores como mal llenado de los cilindros o un alto nivel de gases residuales en el mismo etc. Rendimiento Mecánico: el cual tiene que ver con los sistemas de lubricación que reduzcan al mínimo la resistencia al movimiento.32
4.1.3. Proceso de admisión. En los motores de combustión interna la válvula de admisión se abre aproximadamente de 10 o a 30o antes de que el embolo o pistón alcance el punto muerto superior PMS, de igual forma se cierra de 40o a 80o después del punto muerto inferior PMI, estas posiciones son con relación al giro del cigüeñal que con el eje de levas es 2:1.33 Debido a la transferencia de calor de las partes calientes del motor el aire que ingresa al motor durante el proceso de admisión aumenta su temperatura lo que conlleva como ventaja a la mejora en la evaporación del combustible y como desventaja disminuye la densidad de la mezcla lo que afecta en el proceso de llenado del cilindro. Este aumento de temperatura debido a la transferencia de calor varía dependiendo del motor, además en los motores Diesel el Δt aumenta, pues las piezas aumentan de temperatura a medida que la carga de trabajo en este aumenta. Para motores Diesel sin turbo cargador el Δt varía entre 10°C a 40oC.
32
Ibid., p. 24 – 26. JARAMILLO DÍAZ, Hebert. Procesos reales en los motores de combustión interna (M.C.I). EN: El Hombre y la Maquina. Octubre, 1996, Vol. 12, p. 30. 33
32
Pa es la presión al final del proceso de admisión y esta se puede determinar por:
Pa = Po - ΔPa
(8)
Donde PO es la presión a la cual entra el aire y ΔPa equivalen a las pérdidas de presión generadas por la resistencia que presenta el sistema y el amortiguamiento de la velocidad del movimiento de la mezcla. Para determinar esta última variable de la ecuación se utiliza la ecuación de Bernulli.
(9)
Donde β es el coeficiente de amortiguamiento de la velocidad de la mezcla, es el coeficiente de resistencia que presenta el sistema, es la velocidad media de la mezcla en la parte inferior del sistema de admisión y ρ 0 es la densidad de la mezcla.34
La cantidad de aire que entra al cilindro y queda encerrado en el, al momento de cerrarse la válvula de admisión, se denomina carga en peso del cilindro, que se divide en carga en peso del cilindro real y carga en peso del cilindro teórica. La real es aquella que llega al cilindro del motor y se queda en él y la teórica es el aire que cabe en el volumen del cilindro a presión y temperatura ambiente. Por la resistencia del sistema la carga real es menor que la carga teórica.35
4.1.4. Proceso de compresión. El proceso de compresión es aquel en el que la mezcla empieza a ser sometida a altas presiones lo cual eleva la temperatura de esta hasta el punto de autoignición. Los valores finales de estos parámetros, temperatura y presión, dependen de la relación de compresión, el intercambio de calor, inicio de la compresión y de los parámetros termodinámicos del ambiente. El mejor aprovechamiento del calor y la expansión depende de si la relación de compresión y los valores termodinámicos son más altos, ya que estos son factores que elevan la temperatura de compresión y la presión de compresión y por ende hacen que la inflamación sea más larga, lo que produce una combustión más completa.
34 35
Ibid., p. 32. Ibid., p. 33.
33
La presión y la temperatura al final del proceso se pueden determinar mediante las siguientes ecuaciones: (10) (11)
Donde n1 es el coeficiente politrópico de compresión, ε es la relación de compresión. El proceso politrópico en el caso de los motores es cuando la mezcla a alta temperatura empieza a transferir calor a las paredes del cilindro, al pistón y a la culata.
El coeficiente politrópico se puede determinar mediante la siguiente ecuación: (12)
Donde n es el valor de la frecuencia de rotación del cigüeñal.
El valor de la temperatura y la presión al final del proceso de los motores diesel están en los siguientes rangos36: Pc=35 a 55 Bar Tc=700 a 900 K 4.1.5. Proceso de combustión. La combustión es un proceso de oxidación que sucede de manera rápida, que desprende energía en forma de calor y radiación. Para lograr la combustión, el combustible compuesto de átomos de carbono e hidrógeno se combinan con el oxigeno del aire logrando la oxidación de este, pero para lograr la inflamación del combustible, el aire debe estar a la temperatura de ignición. El tipo de combustión varía dependiendo de varios factores como: -
36
Parámetros del proceso de admisión.
Ibid., p. 35 – 36.
34
-
La calidad de vaporización o pulverización del combustible.
-
Frecuencia de rotación del cigüeñal.
-
Composición físico-química del combustible.
Sobre la base de la composición elemental del combustible se evalúa la cantidad teórica de aire necesaria para lograr provocar la combustión de 1 Kg de combustible.
(13)
C, H y O son el contenido, en masa, del carbono, hidrógeno y oxígeno en 1 Kg de combustible, respectivamente.37
El aire está compuesto aproximadamente de 21% de oxigeno y 79% de nitrógeno. También contiene otros gases pero en pequeñas cantidades aunque no se consideran. Teniendo estos porcentajes se puede decir que existen 3.76 Kmol de N2 por cada Kmol de oxigeno, es decir, 4.76 Kmol de aire durante el proceso de combustión. Los óxidos nítricos que se forman provienen del nitrógeno que durante la combustión se comporta como un gas inerte. 38
El aire que se utiliza en la combustión, posee cierto porcentaje de humedad pero se puede tratar como un gas inerte incluyendo tanto la humedad del aire, como el agua que se forma durante la combustión. Sin embargo, el agua a altas temperaturas se descompone molecularmente en H2 y O2, igualmente en H, O y OH. Una parte de la humedad se condensa y se combina con el dióxido de azufre formando acido sulfúrico, producto que es muy corrosivo. Todo esto sucede cuando los gases, producto de la combustión, se enfrían por debajo de la temperatura de rocío del vapor de agua. 39
37
Ibid., p. 37. YUNUS A. Cengel, MICHAEL A. Boles. Termodinámica. Nevada. USA. McGraw – Hill. Edición 5. Julio de 2007. p. 754. ISBN-13: 978-970-10-5611-0 39 JARAMILLO, Op. cit., p. 37. 38
35
El principio de conservación de la masa es aquel que rige la combustión, es decir, la masa total de cada elemento se conserva durante la reacción química 40. Para cuantificar las cantidades de combustible – aire se utiliza la siguiente relación: (14)
La cantidad de aire real Lr es la cantidad de este gas que toma parte en la combustión de 1 Kg de combustible. Se denomina coeficiente de exceso de aire a la relación entre Lr y Lo: (15)
Este coeficiente es variable al funcionar el motor.
El coeficiente de exceso de aire depende de los siguientes parámetros:
Procedimiento de preparación de la mezcla.
Régimen de trabajo.
Tipo de combustible.
El α en función de trabajo para motores Diesel:
Régimen de trabajo Nominal: 1,50 a 1,6.
Régimen de trabajo de sobrecarga hasta el par motor máximo: 1,25 a 1,35.
Régimen de cargas pequeñas próximas a carga de vacío: α ≥ 10. Dependiendo de cómo sea el Lr en comparación con el Lo se puede determinar si la mezcla es óptima o no, entonces se tiene que: Si Lr < Lo, es decir que α es menor que 1, nos indica que la mezcla en la cámara de combustión contiene bajo porcentaje de aire para la combustión de 1 Kg de combustible, lo que quiere decir que la mezcla es rica en combustible. 40
YUNUS, Op. cit., p. 755.
36
Si Lr = Lo, o sea que α =1, nos indica que la mezcla en la cámara de combustión posee la cantidad optima para la combustión de 1 Kg de combustible, esto quiere decir que la mezcla es normal. Si Lr > Lo es decir que α es mayor que 1, nos indica que la mezcla en la cámara de combustión tiene un exceso de aire para lograr la combustión de 1 Kg de combustible, esto nos dice que la mezcla es pobre.41
4.1.5.1. Proceso de combustión en los motores diesel.
Figura 3. Diagrama del motor Diesel en función del ángulo de giro.
Fuente: JARAMILLO DÍAZ, Hebert. Procesos reales en los motores de combustión interna (M.C.I). EN: El Hombre y la Maquina. Octubre, 1996, Vol. 12, p. 42.
Con ayuda de la figura 3 podemos describir el proceso de combustión en tres fases. Existe un momento previo que se puede ver en el punto k el cual nos indica el momento inicial de la inyección del combustible, en este punto se tiene un ángulo de avance (θo) antes del p.m.s.
41
JARAMILLO, Op. cit. p. 37 – 38.
37
Entre los puntos k y c se presenta el periodo de compresión hasta que el combustible eleva su temperatura hasta el punto c, el cual es el punto donde el combustible se autoinflama. Este punto se presenta el momento de autoinflamación y el inicio del segundo periodo de la Combustión, que como se puede ver en la figura 3, se presenta entre los puntos c y z1 y es también llamado periodo de combustión rápida. La presión sube rápidamente y por ende la temperatura también en este periodo, puesto que se quema todo el combustible inyectado en el cilindro. La rapidez en el incremento de la presión es una característica de la rigidez de funcionamiento del motor diesel.
Entre los puntos z1 y z el volumen se aumenta lo que provoca que la presión crezca lentamente, la velocidad de combustión en comparación con el segundo momento es más baja, puesto que el porcentaje de oxigeno disminuye en la mezcla, a este momento o periodo de la combustión se le llama combustión desacelerada y la duración de este periodo depende de que tan rica es la mezcla en el cilindro y de la forma con que se mezcle el combustible con el aire.
Al final de la combustión la presión en z1 y z se igualan, también se presenta un periodo de poscombustión y este ocurre en el momento que la presión disminuye.42
4.1.5.2. Proceso de combustión teórico. Es muy importante y útil en muchas ocasiones conocer el proceso de combustión suponiendo que este se hará de manera completa. Se considera completo cuando el carbono, hidrogeno, y si lo hay, el azufre se transforman en CO2, H2O y SO2 respectivamente. Existen varias razones para que una combustión sea incompleta. Entre esas, el oxigeno insuficiente. También se puede atribuir a la mezcla insuficiente en la cámara de combustión. Otro fenómeno que produce la deficiencia en la combustión es la disociación, la cual puede ocurrir a elevadas temperaturas.
La cantidad mínima de aire para alcanzar la combustión completa se le llama aire estequiométrico o aire teórico que es la cantidad químicamente correcta de aire o aire 100% teórico y a su vez el proceso ideal en el que el combustible se quema con aire teórico se le llama combustión estequiométrica o teórica. La combustión teórica se puede determinar la siguiente ecuación estequiométrica:
42
JARAMILLO, Op. cit. p. 42 – 44.
38
(16)
Se puede observar que en los productos de la combustión teórica no se ven sin quemar metano ni tampoco C, H2, CO, OH.43 4.1.5.3. Residuos de la combustión. En la fase previa a la combustión es en el momento en el que el motor aspira aire hacia el interior de la cámara de combustión el cual se mezcla con el combustible, al producirse la combustión el oxigeno es quemado por completo por ende los gases producto de la combustión carecen casi que absolutamente de oxigeno. Los gases producto de la combustión son el oxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), oxido de nitrógeno (NOx) y los aldehídos (CHO) (ver anexo M). 4.1.5.3.1. Oxido de carbono (C0). Es un gas que afecta directamente el tránsito de oxigeno en la sangre, al igual que la vista. Un nivel permisible y “saludable” de este gas de combustión está alrededor de 50 partes por millón. El motor diesel presenta una emisión de este gas entre 300 y 1000 partes por millón, el nivel más alto de emisión en este se alcanza cuando se trabaja a plena carga.
4.1.5.3.2. Hidrocarburos (HC). Los niveles reglamentarios de estos están dados entre las 500 y 600 partes por millón, sin embargo sus concentraciones son pequeñas ya que su mayor valor se alcanza en el momento de arranque o reteniendo el motor y es de 400 ppm. Estos son detectables al olfato y pueden producir irritación en este y en los ojos.
4.1.5.3.3. Óxidos de nitrógeno (NOx). Es un gas altamente toxico que alcanza niveles más altos a cargas medias y altas del motor. Es aceptable y respirable a niveles máximos de 25 ppm, su generación también depende mucho de la temperatura que llega el motor en la combustión. Los motores diesel emiten estos gases entre 600 y 1800 ppm.
4.1.5.3.4. Aldehídos (CHO). Estos gases son los responsables de provocar el smog que provocan irritaciones en los ojos y olfatos, son fácilmente detectables al olfato y estos se forman a las mismas condiciones que los HC pero en un grado mucho menor de concentración. En el escape de los motores se puede obtener
43
YUNUS, Op. cit. p. 756.
39
niveles de hasta 30 ppm. Es un gas que es un buen indicador del estado de la combustión del motor.44
4.1.6. Proceso de expansión. El proceso de expansión consiste en convertir la energía calorífica de la combustión en energía mecánica. Este se lleva a cabo después de la combustión de los residuos de combustible y es acompañado de pérdidas debido a los gases por falta de estanqueidad en el cilindro – pistón y de la transferencia de calor al refrigerante; debido a esto los parámetro del gas presentan variación politrópica.
Con el desprendimiento de calor debido a la combustión y la brusca elevación de la presión, el exponente politrópico n2 asume valores negativos, llegando a ser nulo el punto de máxima presión. Cuando alcanza la temperatura máxima, el exponente asume valor unitario. Determinar el valor del exponente mediante un diagrama indicador en el tramo hasta que se alcance la temperatura máxima es casi imposible.
Los valores de este exponente sirven para calcular los parámetros en la etapa final de expansión, pero debido a su dificultad para determinarlos se utilizan promedios. Para el motor diesel su valor promedio se encuentra entre 1,18 a 1,28.
Los parámetros de presión y temperatura al final del proceso se determinan mediante las siguientes ecuaciones: (17)
(18)
Donde es el coeficiente de expansión definitivo (adiabático), P z es la presión al final del proceso de combustión, Vc es el volumen al final del proceso de compresión, Vz el volumen al final del proceso de combustión, n 2 exponente politrópico (19)
44
ARAGÓN, Op. Cit. p. 45 – 47.
40
Y ρ es el coeficiente de expansión previa (isobárica) que se encuentra entre 1,2 a 1,7. El valor de Pb para motores diesel se encuentran entre 2,0 a 5,0 Bar y el valor de Tb para motores diesel se encuentran entre 1000 a 1200 K.45 4.1.7. Proceso de escape o rechazo de calor. Con el avance de la apertura de la válvula de escape, una buena parte de los gases de combustión sale del cilindro a alta velocidad debido al efecto de su propia presión excesiva, esto provoca una disminución del trabajo para expulsar los gases del cilindro durante la carrera.
El retardo del cierre de la válvula de escape da la posibilidad de utilizar la inercia de los gases quemados para una mejor limpieza del cilindro. Cierta cantidad de gases residuales queda en la cámara de combustión. El valor de la presión de estos gases depende entre otros factores de: La distribución y del número de válvulas de la fase de la distribución de gases. El tipo de alimentación. La velocidad de giro del motor. La cantidad de mezcla fresca. Del sistema de refrigeración.
Para motores sin turbo cargador el valor de la presión al final de la etapa de escape se calcula mediante la siguiente ecuación: (20)
Para motores con turbo cargador se calcula de la siguiente manera: (21)
La presión de los gases residuales es una variable dependiente de la frecuencia de rotación del cigüeñal, y se puede determinar por:
45
JARAMILLO, Op. cit. p. 43 – 44.
41
(22)
Donde tenemos que
(23)
Pr N: presión de gases residuales en régimen nominal. NN: las rpm del cigüeñal a régimen nominal. El valor de la presión para todos los motores se encuentra entre el intervalo de 1,05 y 1,25 bar.
Siguiendo en el tema de los gases residuales una variable importante de estos es su temperatura, la cual es dependiente de varios factores en el proceso tales como la relación de compresión, el coeficiente de exceso de aire, del tipo de motor y la frecuencia rotativa del cigüeñal. Al incrementar la frecuencia rotativa del cigüeñal la temperatura de estos gases aumenta, pero al enriquecer la mezcla y aumentar la relación de compresión esta temperatura disminuye. Tal temperatura se puede obtener mediante la siguiente ecuación: (24)
Donde Pb y Tb son la presión y la temperatura en el proceso de expansión respectivamente.
El valor de la temperatura para los motores Diesel se encuentra entre 600 y 900K. Existe un coeficiente de gases residuales (γ) con el cual se determina el nivel de contaminación que tiene la carga recién suministrada, ya que es inevitable que una fracción de estos gases quede dentro de los cilindros. El valor del coeficiente se puede determinar con la relación de la masa de los gases residuales M r (Kg) y la masa de la carga fresca Mo (kg). Dependiendo del valor del coeficiente, el valor de la potencia va a aumentar o a disminuir. Si el coeficiente es menor, el llenado del cilindro y por ende la potencia del motor aumenta y si el valor del coeficiente es alto pues el llenado del cilindro va a ser menor y por ende la potencia del motor disminuye. El motor al estar con carga completa, el coeficiente para maquinas diesel varía entre 0,03 y 0,06.46
46
JARAMILLO, Op. cit. p. 44 – 45.
42
4.2.
EL COMBUSTIBLE
Como es evidente en las últimas décadas, se vienen presentando problemas de diversos tipos con los combustibles utilizados en la actualidad, ya sea por la contaminación que producen, la cual ha dado su gran cuota en el problema del calentamiento global y el cambio climático y estos también tienden a escasear en un corto plazo.
Los motores diesel hoy en día exigen que el combustible sea de buena calidad cumpliendo con los estándares mínimos, que sea limpio y que sirva en cualquier modo operativo del motor. El biodiesel es comúnmente usado en concentraciones de B20 (mezcla con 20% de biodiesel) pero existen otros casos en donde su porcentaje es mucho menor, entre B2 y B5 (mezclas con 2% y 5% de biodiesel respectivamente). El biodiesel en porcentajes pequeños adquiere funciones de lubricantes lo cual disminuye la abrasión entre las piezas. En un principio este combustible tiene propiedades de solvente lo cual limpia de contaminantes el motor pero puede causar daños en los inyectores, pero esto sucede normalmente en las primeras veces en que se usa el biodiesel.47
Según una tesis realizada en la Universidad del Valle en el año 2009, titulada producción de biodiesel en planta piloto a partir de aceite de cocina usado, el biodiesel que se produjo en dicha planta, no cumplió con todas las normas internacionales. Por ejemplo, la viscosidad estaba dos unidades por encima de la norma aunque sigue siendo muy cercano al límite permitido. Sin embargo, la acidez, el índice de yodo, humedad, índice de saponificación, densidad si cumplen con las normas (ver anexo E). El aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores perspectivas en la producción de biodiesel, ya que es la materia prima más económica, debido a que ésta comprende entre el 75 y 90% del costo de producción [Zhang et al; 2003], y con su utilización se disminuyen los costos de tratamiento como residuo. Por su parte, los aceites usados presentan un bajo nivel de reutilización, por lo que no sufren grandes alteraciones y es una 48 buena alternativa para producir biocombustible .
Uno de los principales problemas del aceite usado, para producir biodiesel, son los ácidos grasos libres. El aceite usado es más ácido que el aceite vegetal fresco 47
PATIÑO JARAMILLO, Gustavo Adolfo; CASTAÑO, Diego Alberto. Estudio de los Factores que Inciden en el Desempeño de los Motores de Encendido Provocado (MEP) convertidos a gas natural. Trabajo de grado de Ingeniero Mecánico; Trabajo de grado de Ingeniero Químico. Medellín: Universidad de Antioquia. Facultad de Ingeniería, 2003. p. 19 – 20. 48 Ibid., p. 22.
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debido a que ha sido calentado y freído, además del aumento de la viscosidad (ver anexo 9), el contenido de humedad, la temperatura y el tiempo de almacenaje, aceleran los procesos enzimáticos y la hidrólisis de los triglicéridos, incrementando el contenido de los ácidos grasos libres [Tickell; 2000] [Tomasevic y Siler-Marinkovic; 2003] [Benjumea et al.; 2003]49.
Para facilidad en el análisis de determinar la composición molecular, hay que asumir que el aceite usado es principalmente trioleína de palma, que es un triglicérido, ya que esta molécula es la representativa para grasas líquidas comestibles (aceites), porque los aceites comestibles se derivan principalmente del aceite de palma, pero de su parte líquida que es la oleína de palma. Esta molécula (trioleína de palma) es tan representativa que se usa en los cálculos de simulación, cálculo de propiedades de los aceites, equilibrios de fases y reacciones químicas, además de los cálculos para diseñar equipos para la industria de grasas. Así que si se asume esta molécula como representativa del aceite usado no está mal.
Ahora bien, la trioleína de palma se compone de una molécula de glicerol unida a tres cadenas de ácidos grasos, donde las tres cadenas son de ácido oleico. Como se sabe, la reacción de biodiesel transforma una molécula de triglicérido (trioleína de palma) en 3 moléculas de biodiesel (éster), que si se hace la reacción con metanol, el biodiesel se llama éster de metilo.
En esta reacción se libera el glicerol del triglicérido y a la cadena de ácido graso se le une la molécula de metanol, por lo tanto toda la cadena del ácido graso se mantiene y se le suma el carbono que proporciona el metanol. La composición molecular del Biodiesel sería: 19
átomos de carbono.
36
átomos de hidrógeno.
2
átomos de oxígeno.
Peso
49
molecular: 296 g/gmol.
Ibid., p. 22 – 23.
44
4.3.
MARCO CONCEPTUAL
Actualmente, la idea de sostenibilidad se ha constituido en un paradigma central del cambio del milenio y se define como la forma de satisfacer las necesidades actuales sin comprometer a las generaciones futuras.
Una de las causas para pensar en generar mayor confort sin afectar el medio, se ve asociado a que cada vez más personas en el mundo viven en ciudades y que éstas son cada vez más grandes produciendo más contaminación, proveniente de vehículos, generación de basuras y alto consumo de agua y energía. La identificación de estos problemas deja claro que se deben aunar esfuerzos para conseguir una reducción considerable del impacto ocasionado por el ser humano en el medio ambiente. Es por ello, que desde las diferentes ramas de la ciencia, se han empezado a buscar estrategias de apoyo que permitan avanzar tecnológicamente sin atropellar el medio que nos rodea.
Como parte de promover la diversificación de la matriz energética, ante la reducción progresiva de las reservas de petróleo crudo, se vuelve necesario incluir otras fuentes de alternativas que hagan al país menos dependiente de recursos que no dispone en abundancia como es el caso del diesel, cuyo consumo se ha venido incrementando en los últimos tiempos.
Lo anterior, crea la necesidad de evaluar la combustión de mezcla de biodiesel a partir de aceite de cocina usado, permitiendo una reutilización de este aceite para fines como: la obtención de glicerina, ácidos grasos o esteres como el biodiesel. Además de convertirse en una de las alternativas con mejores perspectivas para la producción de biodiesel debido al bajo costo del proceso, permite el reciclaje del mismo, y a su vez, genera conciencia para evitar arrojar aceite por el fregadero o verterlo en la basura. Muchas personas desconocen que dichas acciones traen como consecuencia problemas asociados no sólo con la parte medioambiental sino también con la salud pública ya que este residuo contribuye a la reproducción de potenciales bacterias nocivas en las cañerías, a la obstrucción de las mismas al solidificarse y a la generación de malos olores en las casas. Por otro lado, puede provocar importantes alteraciones en los parámetros del agua como la turbiedad, el pH, bacterias, entre otras, lo que se puede observar en los cambios o mutaciones de los ecosistemas acuáticos, o en el peor de los casos, causar o provocar la pérdida de muchas especies de fauna y flora debido a la carencia de oxígeno que se presenta cuando la capa de aceite se fija sobre el agua.
45
Es de anotar, que en la actualidad, existen varios países que están adoptando una cultura ambientalista en donde se extiende a los compradores la tendencia de comprar automóviles que generen menos contaminación.
4.4.
MARCO HISTÓRICO
La transesterificación de los aceites vegetales fue desarrollada en 1853 por los científicos E. Duffy y J. Patrick, muchos años antes de que el primer motor diesel funcionase. El primer modelo de Rudolf Diesel, un monocilíndrico de hierro de 3 metros con un volante en la base, funcionó por vez primera en Augusta (Alemania), el 10 de agosto de 1893. En conmemoración de dicho evento, el 10 de agosto se ha declarado "Día Internacional del Biodiesel". Diesel presentó su motor en la Exposición Mundial de París de 1898. Este motor es un ejemplo de la visión de Diesel, ya que era alimentado por aceite de cacahuete, un biocombustible aunque no estrictamente biodiesel, puesto que no era transesterificado. Diesel quería que el uso de un combustible obtenido de la biomasa fuese el verdadero futuro de su motor. En un discurso de 1912, dice: “el uso de aceites vegetales para el combustible de los motores puede parecer insignificante hoy, pero tales aceites pueden convertirse, con el paso del tiempo, importantes en cuanto a sustitutos del petróleo y el carbón de nuestros días”.
Durante los años veinte, los fabricantes de motores diesel adaptaron sus propulsores a la menor viscosidad del combustible fósil (gasóleo) frente al aceite vegetal. La industria petrolera amplió así su hueco en el mercado de los carburantes porque su producto era más económico de producir que la alternativa extraída de la biomasa. El resultado fue, por muchos años, la casi completa desaparición de la producción de combustibles a partir de biomasa. Sólo recientemente la preocupación por el impacto ambiental y la menor diferencia de precios han hecho de los biocombustibles una alternativa válida.
A pesar del increíble uso de los derivados del petróleo como combustibles, durante los años veinte, treinta y la posguerra mundial, varios países (entre ellos Argentina) informaron de haber usado aceites como sustituto del diesel. Se detectaron problemas por la diferencia de viscosidad entre el aceite y el diesel, que producía depósitos dentro de la cámara de combustión y los inyectores. Algunos intentos para superar esto fueron aplicar una pirolisis y craqueo al aceite, mezclarlo con diesel de petróleo o etanol, o calentarlo.
El 31 de agosto de 1937, G. Chavanne de la Universidad de Bruselas, Bélgica, obtuvo la patente por “transformar aceites vegetales para su uso como 46
combustibles”. La patente describía la transesterificación del aceite usando etanol o metanol para separar la glicerina de los ácidos grasos y reemplazarla con alcoholes de cadenas cortas. Esta fue la primera producción de biodiesel.
Más recientemente, en 1977, Expedito Parente, científico brasileño, inventó y patentó el primer proceso industrial de producción de biodiesel. Actualmente, Tecbio, la empresa de Parente, trabaja junto con Boeing y la NASA para certificar bio-queroseno.
En 1979 se iniciaron en Sudáfrica investigaciones sobre cómo transesterificar aceite de girasol en diesel. Finalmente en 1983, el proceso de cómo producir biodiesel de calidad fue completado y publicado internacionalmente. Gaskoks, una industria austríaca, obtuvo esta tecnología y estableció la primera planta piloto productora de biodiesel en 1987 y una industrial en 1989. Durante la década de los 90, se abrieron muchas plantas en muchos países europeos, entre ellos la República Checa, Alemania y Suecia.
En los años noventa, Francia ha lanzado la producción local de biodiesel (conocido localmente como diéster) obtenido de la transesterificación del aceite de colza. Va mezclado en un 5% en el combustible diesel convencional y en un 30 % en el caso de algunas flotas de transporte público. Renault, Peugeot y otros productores han certificado sus motores para la utilización parcial con biodiesel, mientras se trabaja para implantar un biodiesel del 50%.
Francia empezó una producción local de biodiesel el cual se mezclaba en un 30% con diesel para transporte público. Renault y Peugeot certificaron motores de camiones con uso parcial de biodiesel (alrededor del 50%). Durante el año 1998 se identificaban 21 países con proyectos comerciales de biodiesel.
En septiembre del año 2005, Minnesota fue el primer estado estadounidense que obligaba un uso de, al menos, un 2% de biodiesel. En 2008, la ASTM (American Society for Testing and Materials) publicó los estándares y especificaciones de mezcla de biodiesel.
La búsqueda de alternativas de mejoramiento de la calidad de vida de las personas y el desarrollo sostenible, ha llevado a encontrar métodos que no alteren el equilibrio natural del planeta, puesto que la acción humana sobre el medio ambiente está generando un impacto en todos los procesos naturales del planeta. 47
Es por ello que el uso de biocombustibles se convierte en la opción más viable para reducir las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera, ya que se ha comprobado que los aceites usados no generan este tipo de contaminante.
A pesar de que los aceites usados en cocina ya han empezado a utilizarse como materia prima para la producción del biodiesel, persiste la idea de que son mejores los aceites puros. Debido a esto, un grupo de científicos se han dado a la tarea de demostrar que los aceites usados en cocina son una excelente materia prima para la reducción de emisiones, añadido a esto, el hecho de que el aceite se haya requemado y haya tenido otros usos, no le quita su calidad, no afecta la eficiencia del motor, entre otros.
4.5.
MARCO LEGAL COLOMBIANO
El Gobierno Nacional, a través del Plan Nacional de Desarrollo en sus diferentes numerales, implementa un conjunto de instrumentos de política orientados a la promoción de los biocombustibles, promoviendo la competencia entre éstos, teniendo en cuenta criterios de sostenibilidad económica, ambiental y social. Para estos efectos, el Plan Nacional de Desarrollo asigna al Ministerio de Minas y Energía la labor de evaluar la viabilidad y conveniencia de fijar precios basados en costos de conformidad, de sus sustitutos y de las materias primas usadas para la producción de biocombustibles.
Además, el biocombustible es identificado como un producto de alto valor comercial, debido a la cantidad de beneficios que presenta, con los cuales se busca generar un desarrollo agroindustrial y posesionarse en el mercado como un producto que contribuye al desarrollo sostenible. Es por ello, que el avance de los biocombustibles se encuentra priorizado en las estrategias de los sectores agrícola y de energía.
De igual manera, desde el punto de vista ambiental, la producción y uso de los biocombustibles se encuentran transversalmente relacionados con las políticas ambientales a través de la ley 99 de 1993.
Cabe destacar, que el Ministerio de Minas y Energía junto con el Ministerio de Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial, son las entidades responsables de establecer los requisitos necesarios para la producción y el uso de
48
biocombustibles en Colombia50. Igualmente, el Ministerio de Minas y Energía determina los criterios de calidad ambiental de los combustibles con el fin de crear normas y políticas de calidad y seguridad para el uso de biocombustibles.
Por otro lado, se plantea la necesidad de fortalecer la gestión ambiental en las etapas de planificación y desarrollo de los sectores económicos, para lo cual el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial definirá los lineamientos para la elaboración de evaluaciones ambientales estratégicas por parte de los sectores51.
También, se establece que el Ministerio de Ambiente promoverá Estrategias de Prevención y Control de la contaminación del aire mediante la generación y utilización de combustibles más limpios provenientes de cultivos de producción de biodiesel y alcohol carburante. Esta norma, producción más Limpia (PML) y Sistema de Gestión Ambiental.SGA (ISO 14001), sobre Producción más Limpia hace referencia a la implementación de estrategias, métodos y herramientas de gestión enfocadas en la mejora de procesos y productos a través de prácticas que reducen o eliminan la creación de contaminantes o residuos en la fuente.
Adicionalmente, se genera la propuesta de Lineamientos de Política de Energéticos, de Enero del 2006, la cual enuncia un mayor aprovechamiento para la captura de energía y producción de biomasa utilizada para la producción de biocombustibles, debido a la posición geográfica que Colombia posee, sin ocasionar daños al medio ambiente.
En última instancia, el Gobierno Nacional ha promovido el desarrollo de los biocombustibles a través de diferentes medidas orientadas a fomentar su producción y uso. Teniendo en cuenta lo anterior, se toman como base las siguientes normatividades:
50
Resolución número 182087. Por la cual se modifican los criterios de calidad de los biocombustibles para su uso en motores diesel como componente de la mezcla con el combustible diesel de origen fósil en procesos de combustión [en línea]. Santafé de Bogotá, D.C., 17 de Diciembre de 2007: Asociación Colombiana de Petróleo. [Consultado 16 de Marzo de 2011]. Disponible en http://www.acp.com.co/documentos/operaciones/resoluciones/Biocombustibles.pdf 51 Ley 99 de 1993. Por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el Sector Público encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental –SINA y se dictan otras disposiciones [en línea]. Santafé de Bogotá, D.C. 22 de diciembre de 1993: Instituto de Investigación de Recursos Biológicos Alexander von Humboldt Colombia. [Consultado 16 de Marzo de 2011]. Disponible en http://www.humboldt.org.co/download/ley99.pdf
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Resolución 182087 de 2007. Mediante la Resolución 182087 de 2007 el Ministerio de Ambiente, vivienda y Desarrollo Territorial y el Ministerio de Minas y Energía, establecieron los requisitos de calidad técnica y ambiental de los biocombustibles para uso en motores diesel, al igual que la definición de sus mezclas con el diesel. Es en esta resolución donde se fijó que al ACPM se le debe mezclar un 5 ± 0.5% de biocombustible para uso en motores diesel. Ley 939 de 2004. El Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural promovió la Ley 939 del 2004 mediante la cual se estimula la producción y comercialización de biocombustibles de origen animal o vegetal para uso en motores diesel y otras disposiciones al respecto. Se entiende por biocombustibles de origen vegetal o animal, aquel combustible líquido o gaseoso que ha sido obtenido de un vegetal o animal que se puede emplear en procesos de combustión y que cumplan con las definiciones y normas de calidad establecidas por la autoridad competente, destinados a ser sustitutos parciales o totales del ACPM, debido a que el uso de éstos promueve el Desarrollo Sostenible.
Diez años después de la promulgación de esta Ley, empezará a quedar exenta la renta líquida, por un término de diez años contados a partir del inicio de la producción, generada por el aprovechamiento de nuevos cultivos de tardío rendimiento en cacao, caucho, palma de aceite, cítricos y frutales, los cuales serán determinados por el ministerio. Este ministerio en conjunto con el de protección social evaluará anualmente el impacto económico que generen estas nuevas plantaciones. La ley 99 de 1993. Contiene los fundamentos de la política ambiental colombiana, en donde se encuentran plasmados los principios para el aprovechamiento de cualquier recurso natural sin afectar el medio ambiente y las políticas que deben adoptar los organismos encargados de administrar el uso de estos recursos como el Ministerio de Medio Ambiente, las Corporaciones Autónomas Regionales con el fin de que exista un seguimiento y monitoreo permanente que garanticen la protección y conservación de los recursos naturales renovables, y a su vez, permiten que exista un crecimiento económico, una elevación en la calidad de vida y un bienestar social. Decreto 2629 de 2007. Por medio del cual se dictan disposiciones para promover el uso de biocombustibles en el país, así como medidas aplicables a los vehículos y demás artefactos a motor que utilicen combustibles para su funcionamiento. Este decreto establece el cronograma para ampliar la mezcla obligatoria de biocombustibles en 10% a partir del 1 de Enero del año 2010, y 20% 50
a partir del año 2012, así como la obligación de que el parque automotor nuevo y demás artefactos nuevos a motor deben ser flex-fuel como mínimo al 20% tanto para mezcla E-20 (80% de gasolina básica de origen fósil con 20% de alcohol carburante) como para B-20 (80% de diesel de origen fósil con 20% de biocombustibles). Normas Técnicas Colombianas. El Instituto Colombiano de Normas Técnicas emitió la NTC 1438 y la NTC 5444, que establecen las especificaciones que deben cumplir y los métodos de ensayos que se deben usar para determinar los parámetros definidos para los combustibles utilizados en motores tipo diesel disponibles en Colombia.
El siguiente cuadro muestra las propiedades establecidas para el biodiesel en la NTC 5444, que se encuentra acorde con los estándares internacionales de calidad: Cuadro 1. Propiedades Químicas del Biodiesel - NTC 5444 propiedades
Unidad
ASTM 6751
EN 14214
NTC 5444
Biodiesel de palma
Densidad 15°c Viscosidad 40°c Número de Cetano Punto de chispa Punto de fluidez Estabilidad a la oxidación Estabilidad térmica Índice de yodo Corrosión lámina de Cu Número ácido Contenido de agua Contenido de fósforo Contenido de Metanol o etanol Contenido de glicerina Libre/total Contenido de éter Contenido de Na + K Contenido de Ca + Mg
g/ml mm²/s Cetanos °C °C Horas % Reflect G Yodo/10 0g N/A Mg KOH/g mg/Kg mg/Kg
------1.9-6.0 Min 47 Min 130 Reporta r Min 3 N.R. N.R. 1 0.8 máx. 500 máx. Máx. 10 0.2
0.860-0.900 3.5-5.0 Min 51 Min 120 Depende región Min 6 N.R. Máx. 120 1 0.5 máx. 500 máx. Máx. 10 0.2
0.8600.900 1.9-6.0 Min 47 Min 120 Reportar Min 6 Min 70 Máx. 120 1 0.5 máx. 500 máx. Máx. 10
0.875 4.49 68 159 12 26 99 58 1ª