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- 1. INSTITUTO NACIONAL DE APRENDIZAJE NÚCLEO MECANICA DE VEHÍCULOS SUBSECTORES PRODUCTIVOS Mecánica de maquinaria y vehículos pesados Mecánica de maquinaria agrícola Mecánica de vehículos livianos PROYECTO: “Transferencia tecnológica sobre las ventajas y desventajas de la utilización del biodiesel” San José Noviembre de 2008
- 2. 1 FICHA DE CRÉDITOS Elaborado por: IVAN RETANA JIMENEZ Nombre Asesoría metodológica: JAVIER BONILLA HERRERA Nombre REVISIÓ JAVIER BONILLA HERRERA Proceso Gestión Tecnológica Firma ............................................. Fecha y sello APROBACIÓ Rafael Murillo López Jefatura del Núcleo de Formación Firma ............................................. Fecha y sello Original firmado Original firmado
- 3. 2 INDICE Página Introducción 3 CAPÍTULO 1 ASPECTOS GENERALES 4 Justificación 5 Antecedentes 6 Objetivos 7 Metas 7 Metodología 8 Alcances y limitaciones 9 CAPÍTULO 2 DESARROLLO 10 Generalidades 11, 12, 13 Los orígenes del biodiesel 13, 14, 15 Proceso de producción del biodiesel 15, 16 Materia prima 17 Ventajas del biodiesel frente al diesel convencional 18, 19, 20, 21 Desventajas del biodiesel frente al diesel convencional 22, 23 Efectos del biodiesel en el automóvil 24 Efectos del biodiesel en las emisiones de gases y el desempeño del motor 24, 25, 26 Efectos del biodiesel en sistema de alimentación de combustible 27, 28, 29, 30, 31 Efectos del biodiesel en funcionamiento del motor 32, 33, 34 CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 35 Conclusiones y recomendaciones 36, 37 Recursos de Internet 38, 39 ANEXOS 40 ¿Que son los gases de escape? 41, 42, 43 Presentación Power point charla transferencia del tema Lista de asistencia de técnicos que asistieron a la charla
- 4. 3 INTRODUCCIÓN El presente documento describe la manera en que se desarrollará la transferencia de conocimientos sobre las ventajas y desventajas del uso del combustible biodiesel en vehículos automotores Para su mejor comprensión el documento se dividirá en la justificación, antecedentes, el objetivos general y específicos, metas, metodología, alcances, limitaciones, conclusiones, recomendaciones y los anexos. Así mismo, se detallará la teoría que fundamenta el tema que sirve como base del conocimiento para realizar la transferencia. Es importante anotar que los documentos resultantes serán trasladados al Proceso de Planeamiento y Evaluación, para que sean considerados en la actualización de los contenidos de los módulos que integran los distintos programas que integran la oferta curricular del Núcleo de Mecánica de vehículos.
- 6. 5 JUSTIFICACIÓN La justificación de esta transferencia se fundamenta en lo siguiente. El rol que cumple el Núcleo de Mecánica de Vehículos como unidad asesora en el área técnica, en la nueva estructura institucional basada en ámbitos de acción, nos exige contar con un criterio técnico actualizado sobre las ventajas y desventajas de la utilización del biodiesel como combustible alternativo en el área automotriz, esto con el fin de crear o actualizar los servicios de capacitación profesional. Actualmente los instructores, mecánicos de agencia o independientes y el público en general desconocen total o parcialmente de este tema y en otros casos no poseen información técnica general actualizada y de confianza. Esto evidencia la importancia de generar un documento que contenga datos actualizados sobre las ventajas y desventajas de este combustible alternativo, abarcando estos dos aspectos se logrará comprender cuales son las consecuencias a corto y mediano plazo tras su implementación. También existe la necesidad de crear una serie de charlas técnicas a nivel nacional para transferir este conocimiento a la población meta, así como un generar documento técnico de consulta que sirvan también de insumo a próximos trabajos de investigación mas especializados y que continúen con el mejoramiento de los servicios de capacitación y formación profesional en el área de mecánica de vehículos a nivel nacional.
- 7. 6 ANTECEDENTES El motor de combustión interna es una máquina ampliamente extendida en diferentes sectores, como es el caso de la generación eléctrica, la propulsión marina, etc. Sin embargo, es en el sector automovilístico donde ha encontrado su mayor difusión, por sus ventajas en cuanto a potencia específica, variabilidad de carga y consumo. De entre ellos, el motor de encendido por compresión o motor Diesel es usado casi en exclusividad tanto para el transporte pesado y ligero de mercancías, como en vehículos todo terreno. Además en la última década, se ha extendido apreciablemente en el sector de los vehículos livianos, compitiendo con los motores a gasolina. Actualmente la industria automovilística diseña los motores en función al tipo de combustible, ya sea diesel o gasolina, causando una alta dependencia del petróleo (el 47% del producto destilado en las refinerías se consigna como combustibles para el transporte). Además, en el país el 100% del petróleo consumido es importado desde unas regiones altamente inestables geopolíticamente. La limitación de las reservas existentes, el consumo creciente, la volatilidad de los precios del crudo, así como su tendencia al alza, (20 dólares el barril en septiembre de 2001 frente a los más de 140 dólares en junio de 2008) ha generado en el gobierno una gran preocupación por la seguridad del abastecimiento energético, sobre todo desde las crisis del petróleo de los años 1973 y 1979. Los biocombustibles toman cada vez más relevancia en el mundo pues están considerados como combustibles alternativos, limpios y proveen una fuente renovable. El objetivo de este documento es el de evaluar las ventajas y desventajas de utilizar el biodiesel desde aspectos como la emisión de gases y las consecuencias en el funcionamiento del motor.
- 8. 7 OBJETIVOS Objetivo General Realizar una transferencia de conocimientos técnicos sobre las ventajas y desventajas de la utilización del biodiesel en los vehículos livianos, por medio de una charla y una publicación en la página web del Núcleo. Objetivos Específicos Analizar el proyecto “Investigación sobre ventajas y desventajas en utilizar el combustible biodiesel” realizado en el 2006. Recopilar información técnica como características físicas y químicas, proceso de obtención, impacto ambiental y el comportamiento del biodiesel en los automóviles (consumo, emisiones, modificaciones al motor) en agencias de vehículos, intermet y bibliotecas. Confeccionar un documento de consulta sobre dichas características y elaborar una presentación para transferir la información. METAS • Un documento con el plan de trabajo FR GFST 26. • Un documento con el informe final del estudio realizado. • Una presentación en multimedia sobre la información obtenida. • Una charla a nivel de técnicos docentes y mecánicos. • Una publicación en la página web del Núcleo de Mecánica de Vehículos.
- 9. 8 METODOLOGÍA Se confeccionó un documento con la información recopilada para que sirva de insumo a próximos trabajos de investigación mas especializados y como material de consulta. Se implementó una serie de charlas a nivel regional abarcando Pérez Zeledón, Alajuela, Liberia y San José para transferir este conocimiento a la población meta Se entregara una copia del documento a los colaboradores de las regionales con el fin de mejorar los servicios de capacitación y formación profesional en el área de mecánica de vehículos a nivel nacional. El método efectuado para llevar a cabo dichas metas es el siguiente: Se consulto los resultados de la “Investigación sobre ventajas y desventajas en utilizar el combustible biodiesel” realizada en el 2006 para determinar la relevancia del documento como material de consulta. Se reunió información sobre el tema en diferentes medios como manuales, internet, agencias de vehículos u otra fuente informativa, sobre las ventajas y desventajas en utilizar el combustible biodiesel. Se estableció la estructura del documento y la charla. Se elaboró un documento final con la información recolectada Por último se diseño una charla que explique ventajas y desventajas en utilizar el combustible biodiesel.
- 10. 9 ALCANCES y LIMITACIONES DEL PROYECTO Los principales alcances consistieron en la elaboración de un documento que contenga información general sobre las ventajas y desventajas de la utilización del biodiesel y que será entregado instructores como parte de la transferencia así como una charla basada en la información recolectada, será impartida en las regionales donde se imparten acciones formativas relacionadas con el núcleo Mecánica de Vehículos. Como posible limitante está la poca información en el país, respecto al comportamiento del biodiesel en el funcionamiento del automóvil común en cualquier relación (mezclado o puro) y el costo en tiempo y dinero que llevaría obtener esos datos por cuenta propia. También se debe tomar en cuenta que al estar en fase de implementación en el mercado nacional no se cuenta con una amplia flotilla de vehículos utilizando este combustible, por lo tanto puede ser difícil observar y medir su funcionamiento.
- 12. 11 GENERALIDADES La extensa y masiva utilización del automóvil (más de 500 millones en todo el planeta) y el consiguiente impacto ambiental que producen sus emisiones (el sector del transporte destaca más que ningún otro sector por contribuir a las emisiones de CO2), ha provocado un endurecimiento de las normativas medioambientales en materia de homologación de vehículos, obligando a los fabricantes a desarrollar sistemas de combustión y de post-combustión cada vez más limpios o eficaces. La industria petrolera también se ha visto inmersa en la carrera tecnológica para intentar reducir las emisiones, eliminando ciertos compuestos en los combustibles, como el azufre o el MTBE (Metil Terbutil Etileno) y desarrollando nuevos aditivos más amigables con el ambiente para incorporarlos en los carburantes. Ante esta situación, desde la década de los 90, las autoridades se han pronunciado en numerosas ocasiones a favor del fomento de las energías alternativas, como medio para incrementar la seguridad del abastecimiento energético y para reducir el impacto sobre el medio ambiente. Los biocombustibles (destinados para el transporte) son los combustibles de origen biológico obtenidos de manera renovable a partir de restos orgánicos, procedente de diferentes tipos de biomasa. Los dos tipos de biocarburantes más importantes son el biodiesel y el bioetanol: El bioetanol, se obtiene a partir de almidón y caña de azúcar, maíz, sorgo, yuca entre otros. Puede ser empleado como sustitutivo o mezcla para gasolinas. El biodiesel, se obtiene a partir de aceites vegetales provenientes de plantas como la palma africana, soya, higuerilla, Jatropha curcas, colza o grasas animales. Sus propiedades son parecidas a las del diesel común.
- 13. 12 Entre los años 1978 y 1982, durante la administración del Lic. Rodrigo Carazo Odio, Costa Rica realizó un primer intento por aditivar las gasolinas con alcohol en un proyecto que fue conocido popularmente como gasohol y pretendía disminuir los efectos de la crisis energética por el alto costo de los combustibles derivados del petróleo y disminuir el deterioro ambiental producido por la emisión contaminantes generados por la combustión de los motores en los vehículos. Esta iniciativa no cumplió con estos propósitos, debido mayormente a la falta de información de carácter técnico y a una mala planificación del proyecto ya que la mezcla utilizada fue de hasta un 20% de alcohol en los combustibles, esto trajo como consecuencia desperfectos mecánicos en los sistemas de alimentación de combustible y el los motores, dando como resultado el fracaso de la iniciativa. Además generó resistencia y desconfianza en los conductores hacia proyectos de esta naturaleza. No obstante continua la preocupación por llevar a la práctica iniciativas que cumplan con lo que se establece en el artículo 50 de nuestra Constitución Política, el cual indica que "…toda persona tiene derecho a un ambiente sano y ecológicamente equilibrado", lo que lógicamente implica una mejor calidad de vida. Para potenciar el uso de los biocarburantes en Costa Rica, el Gobierno y las Instituciones están desarrollado un marco regulatorio que fomente su empleo: • Directriz Nº 041 Plan de Ahorro Energético, dirigida a los Jerarcas de Ministerios, Instituciones Autónomas, empresas públicas y demás órganos del Estado en julio del 2005 • Decreto Ejecutivo Nº 33357 Deroga la Comisión Técnica de Trabajo MAG- MINAE-RECOPE-LAICA y la Comisión Técnica de trabajo del Estudio del Biodiesel. Crea la Comisión Nacional de Biocombustibles en agosto del 2006.
- 14. 13 • Decreto Ejecutivo Nº 34128 Publica Resolución N° 1 98-2007 (COMIECO-XLIV) Reglamento Técnico Centroamericano RTCA 75.02.43:07 Biocombustibles. Biodiesel (B100) y sus mezclas con aceite combustible diesel. Especificaciones en octubre del 2007. Es así como Costa Rica, a través de decretos, leyes vigentes relacionadas con este tema y los convenios internacionales ratificados, busca alternativas que cumplan con un desarrollo sostenible y por lo tanto proteger el ambiente. LOS ORÍGENES DEL BIODIESEL La idea de usar aceites vegetales como combustible no es una nueva, de hecho el primer motor Diesel de la historia funcionaba con aceite de maní. Su creador, el inventor alemán Rudolf Diesel, lo presentó en la Exposición Universal de París de 1900 como un “motor de aceite” y con él pretendía potenciar la agricultura como fuente de energía. Posteriormente se realizaron ensayos con diferentes aceites vegetales crudos, pero el tema perdió interés con el fuerte desarrollo de la petroquímica. Sin embargo, cuando se han presentado problemas de abastecimiento de productos petrolíferos, especialmente durante las dos guerras mundiales, se ha recurrido a los aceites vegetales para sustituir el diesel. Después de las dos guerras mundiales, el desarrollo tecnológico en el campo de los motores diesel se intensifica y se basa en el diesel derivado del petróleo, barato y con características muy precisas, necesarias para los nuevos sistemas de inyección. Como consecuencia se abandona el empleo de los aceites vegetales como combustibles para los motores diesel, que resultaban más costosos y ofrecían características fisicoquímicas menos constantes.
- 15. 14 En 1973, cuando se presenta la primera crisis del petróleo, se plantea el ahorro de la energía y la utilización de recursos energéticos renovables, reiniciándose entre otras la investigación en el campo de los biocombustibles líquidos de origen vegetal. Sin embargo, el uso de aceites vegetales brutos como combustible en motores Diesel originaba diversos problemas, tales como, taponamiento de filtros, líneas e inyectores, depósitos de carbón en la cámara de combustión (inyector, pistón y culata), excesivo desgaste del motor, degradación del aceite lubricante por polimerización. Como solución a estos problemas, se han planteado diferentes alternativas: • Crear motores completamente nuevos para los combustibles alternativos, como es el caso del motor Elsbett, diseñado por la empresa Elsbett Konstruktion Germany, que se fabrica en Alemania, Malasia y Estados Unidos. • Modificar los motores actuales para que se adapten a los combustibles alternativos (motores con precámara o motores con sistemas de precalentamiento de combustible). • Utilizar los motores actuales, modificando los combustibles alternativos.
- 16. 15 La tercera opción es la que goza de mayor difusión actualmente y se logra mediante varios procesos cuyo objetivo es rebajar la viscosidad de los aceites vegetales hasta valores cercanos al diesel de origen fósil, para poder ser usados en los motores Diesel. Los investigadores han planteado cuatro técnicas para conseguirlo: • Mezclas de aceite diesel • Microemulsión • Pirólisis • Transesterificación. La transesterificación parece ser la alternativa más viable, la más estudiada y la que mejores resultados ha ofrecido hasta la fecha. PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL BIODIESEL Los aceites y grasas, están compuestos de ésteres: monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos (siendo estos últimos los más comunes) y de ácidos grasos libres. A través del proceso de transesterificiación de los aceites vegetales con un alcohol (normalmente, metanol), se obtienen los ésteres metílicos derivados, que son compuestos oxigenados con características similares en su comportamiento a las del diesel, principalmente en lo referente a la viscosidad, temperatura de ebullición, residuo carbonoso, número de cetano (El número de cetano, contrariamente al número de octano, es un índice que se utiliza para caracterizar la volatilidad y facilidad de inflamación de los combustibles utilizados en los motores Diesel.), etc. Un criterio esencial del proceso de transestereficación es la calidad del biodiesel obtenido, caracterizada, entre otros, por su pureza.
- 17. 16 En este sentido, en la fabricación del biodiesel, una etapa fundamental tras la reacción, es la de separación del producto principal del resto de subproductos que se encuentran en el medio, especialmente, de la glicerina y el metanol residual. En el proceso convencional, esto se hace usualmente mediante un lavado con agua, y una destilación del producto final. Fig.1 Diagrama del proceso de transesterificación La producción del biodiesel es un proceso conceptualmente simple; los pasos básicos se resumen en la figura 1: Aceite vegetal de características conocidas reacciona a temperaturas moderadas (65º C) con metanol en presencia de un catalizador alcalino o ácido; típicamente se utiliza hidróxido de sodio o de potasio. Después de aproximadamente dos horas bajo condiciones de constante agitación, los triglicéridos (moléculas complejas que forman el aceite y que le dan su consistencia viscosa) reaccionaron completamente con el metanol para formar cadenas de metil-éster (biodiesel) y glicerina, un producto secundario de valor comercial.
- 18. 17 MATERIAS PRIMAS Como materia prima en el proceso de transesterificación para obtener biodiesel, se pueden emplear: • Aceites vegetales sin usar, procedentes de plantas oleaginosas: colza, soja, girasol, palma, ricino, jatropha, semilla de cardo, Algunos de estos aceites son empleados en el sector de la alimentación, constituyendo una clara competencia para su utilización como materia prima en la producción de biodiesel. • Aceites vegetales usados, que son un residuo procedente de la industria de alimentación (aceite de fritura) y de la red hotelería, restaurantes, catering o caseros. • Grasas animales procedentes de la industria cárnica. Fig.2 Biodiesel proveniente de la jatropha
- 19. 18 VENTAJAS DEL BIODIESEL FRENTE AL DIESEL CONVENCIONAL • Ahorro de combustibles provenientes del petróleo En la medida en la que se sustituye el empleo de derivados del petróleo por biocombustibles de origen renovable. • Desarrollo agrícola Una fuente renovable de producción de combustibles alternativos con origen en la agricultura permite a la sociedad disponer de una fuente de empleo adicional y de un aprovechamiento de terrenos que en algunos casos no pueden ser usados para otros cultivos por restricciones políticas o condiciones del terreno. El biodiésel permite al productor agrícola autoabastecerse de combustible; además, su producción promueve la inclusión social de los habitantes menos favorecidos del sector rural, debido a que no requiere altos niveles de inversión. • Diversificación energética • Aprovechamiento de los residuos La manipulación, tratamiento y evacuación de residuos supone un coste energético y económico a las empresas que los producen y a la sociedad. Éste también es el caso de los residuos de aceites vegetales. Si éstos son empleados en la elaboración de biodiesel, se consiguen dos objetivos: Reducción de los costes por el tratamiento o evacuación del residuo Minimizar los costos relacionados con la posible contaminación ambiental. • Mayor poder lubricante Presenta un mayor poder lubricante, con lo que se disminuye la necesidad de incluir aditivos en el combustible para mejorar esta propiedad.
- 20. 19 • Biodegradable El biodiesel es un combustible capaz de ser asimilado (descompuesto y metabolizado) por el ambiente gracias a su naturaleza química, puede ser descompuesto por microorganismos (principalmente bacterias aerobias) en un período de tiempo relativamente corto, se degrada de 4 a 5 veces más rápido que el diésel fósil, lo cual ayuda a minimizar el impacto en caso de derrame accidental y además puede ser usado como solvente para limpiar derrames de diésel fósil. Estudios en la universidad de Idaho, compararon la biodegradación en una solución acuosa entre el biodiesel, el diesel y a la dextrosa (azúcar). Las muestras de Biodiesel se degradaron más rápidamente que el azúcar, y quedaron degradadas al 95 por ciento en 28 días. El combustible diesel basado en petróleo normal fue degradado solamente a cerca del 40 por ciento después del mismo período de la prueba de 28 días. Mezclando biodiesel con combustible diesel basado en petróleo regular también acelera la biodegradabilidad total del combustible mezclado. Por ejemplo, mezclas de 20 por ciento de biodiesel y de 80 por ciento de combustible diesel (B20) se degradan dos veces más rápido que el diesel de petróleo. • Reducción del CO Se ha comprobado que al emplear biodiesel se produce una reducción en la formación de monóxido de carbono, hidrocarburos sin quemar o parcialmente quemados y núcleos de hollín. La justificación a este hecho radica en la presencia de oxígeno en la molécula de biodiesel, que aumenta la disponibilidad de comburente (sustancia que participa en la combustión oxidando al combustible) en el cilindro, favoreciendo una combustión más completa
- 21. 20 • Emisión neta de CO2 La emisión de CO2, es de gran preocupación, por ser un gas que contribuye al efecto invernadero del planeta. Además, el sector transporte destaca por contribuir más que ningún otro sector a las emisiones de CO2, y sin embargo no contribuye económicamente a través de los mecanismos puestos en marcha a raíz del Protocolo de Kyoto (acuerdo internacional que tiene por objetivo reducir las emisiones de seis gases provocadores del calentamiento global: dióxido de carbono (CO2), gas metano (CH4), óxido nitroso (N2O), hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6)). El empleo de biodiesel, juega un papel muy importante en este aspecto, puesto que cuando se emplea como combustible, el CO2 emitido por el motor se contrarresta durante el crecimiento del cultivo agrícola del que procede, a través de la fijación por fotosíntesis. Esto cierra el ciclo de vida del CO2, eliminándose por tanto su emisión neta. Fig. 2 Ciclo del CO2
- 22. 21 • Mayor numero de cetano El biodiesel tiene un mayor número de cetano, lo cual mejora el proceso de combustión, permite aumentar la relación de compresión del motor (conlleva un aumento del rendimiento de éste) y produce menos ruido. • Es más seguro de transportar y almacenar El biodiesel tiene un punto de inflamación mayor que el diésel fósil. El biodiésel podría explotar a una temperatura de 150°C. • No contiene azufre Prácticamente no contiene azufre, por lo que no genera dióxido de azufre (SO2), un gas que contribuye a la contaminación ambiental. Actualmente en todas partes las legislaciones están exigiendo disminuir el contenido de azufre del diésel, de manera que este sea Low sulpher diesel o LSD (diésel de bajo contenido de azufre). El diesel LSD tiene un menor grado de lubricidad que el diésel, por lo que es más necesario adicionarle biodiésel.
- 23. 22 DESVENTAJAS DEL BIODIESEL FRENTE AL DIESEL CONVENCIONAL • Punto de congelación alto El biodiesel tiene un punto de congelación relativamente alto, entre 0º C y -5º C, especialmente el que se produce de palma africana, por lo que podría acarrear problemas si se usa al 100% en regiones con bajas temperaturas. En cualquier caso, existen actualmente aditivos que rebajan el punto de congelación hasta -20º C y cuya aplicación elimina dichos riesgos. • Menor contenido energético El biodiesel presenta una ligera pérdida de potencia, como consecuencia del poder calorífico ligeramente inferior que el del diésel (12% menor en peso u 8% en volumen), por lo que su consumo es ligeramente mayor. El biodiésel de baja calidad (con un bajo número de cetano) puede incrementar las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno), pero si el número de cetano es mayor que 68, las emisiones de NOx serían iguales o menores que las provenientes del diésel fósil. • Daños de algunos componentes del motor El éster metílico presente en el biodiesel puede disolver la goma y el caucho, materiales empleados en la fabricación de juntas, mangueras y sellos en determinadas partes del motor diesel. El uso prologando de biodiesel puro en un motor con estos componentes podría llegar a degradar los mismos y producir poros en componentes de los vehículos. En los vehículos actuales y dichos componentes de caucho han sido sustituidos por polímeros plásticos que no presentan ninguna limitación al uso de biodiesel.
- 24. 23 • Emisión de otros compuestos dañinos Algunos estudios han observado una mayor emisión de aldehídos (compuestos orgánicos que contienen un grupo carbonilo unido a un átomo de hidrógeno y a un radical alquilo, arilo o derivados de ellos) al emplear biodiesel. Estos compuestos a pesar de no estar regulados por normativa, son considerados altamente reactivos en la atmósfera, contribuyendo al smog fotoquímico que es la contaminación del aire, principalmente en áreas urbanas, por ozono originado por reacciones fotoquímicas, y otros compuestos. Como resultado se observa una atmósfera de un color marrón rojiza. El ozono es un compuesto oxidante y tóxico que puede provocar en el ser humano problemas respiratorios. • Valor de la materia prima Los costos dependen de la elección de la materia prima, pueden ser elevados y guardan relación con el precio internacional del petróleo. Dichos costos representan el 70% de los costos totales del biodiésel, por lo que este actualmente es un producto relativamente costoso. Diversos estudios de mercado han demostrado que su precio resulta muy parejo al del diesel comercial. Pero pareciera que estos análisis no consideran el conjunto de efectos multiplicadores en la economía y el mejoramiento del balance de divisas, y no incluyen el incremento en los beneficios sociales producidos por las características ambientales positivas de este combustible, con relación al petróleo. • Almacenaje del biodiesel Por su alto poder solvente, se recomienda almacenar el biodiésel en tanques limpios; si esto no se hace, los motores podrían ser contaminados con impurezas provenientes de los tanques. Muchas estaciones de combustible carecen de la infraestructura necesaria.
- 25. 24 EFECTOS DEL BIODIESEL EN EL AUTOMOVIL El biodiesel se puede utilizar en los vehículos de forma pura (B100) o en una mezcla de diesel y biodiesel en diferentes concentraciones. La mezcla mas difundida es la B20 y significa una mezcla de 20% de biodiesel y 80% de diesel. En cantidades inferiores a 5% de mezcla (B5) es considerada como aditivo y la mezcla puede ser hecha con diesel de petróleo o diesel con bajo nivel de azufre (LSD). Este combustible se puede utilizar en los motores existentes actualmente sin ningún problema y en algunos casos será necesario realizar pequeñas modificaciones. EFECTOS DEL BIODIESEL EN LAS EMISIONES DE GASES Y EL DESEMPEÑO DEL MOTOR Se han realizado varias investigaciones acerca del uso del biodiesel, puro o mezclado, para determinar las consecuencias en el motor con respecto a las emisiones de gases, la potencia y el consumo. Tipo de emisión B100 B20 Hidrocarburos totales sin quemar (HC) -68 -14 Monóxido de carbono (CO) -44 -9 Partículas en suspensión (PM) -40 -8 Sulfatos -100 -20 Hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) -80 -13 Hidrocarburos aromáticos policíclicos nitrogenados (nPAH) -90 -50 Potencial de destrucción de la capa de ozono -50 -10 Óxidos de nitrógeno (NOx) +6 +1 Tabla 1: Emisiones medias del Biodiesel comparadas al Diesel convencional: Fuente: www.biodiesel.org Ver anexo ¿Qué son los gases de escape?
- 26. 25 En la tabla anterior se aprecia una comparativa entre los gases contaminantes que genera un motor utilizando B100 y otro con B20, partiendo de las emisiones que produce un motor que usa diesel derivado del petróleo. Cabe destacar que al usar B100 los sulfatos se reducen totalmente, el monóxido de carbono disminuye en un 44% y los HC bajan en un 68%. El único efecto negativo es el incremento de NOx, que actualmente se subsana con el uso de catalizadores. Sin embargo estos datos son relativos, ya que dependen del diseño y tipo de motor (automóviles, vehículos de transporte público, maquinaria pesada, etc), del tipo de combustible según su composición, materia prima del que fue creado y la antigüedad y mantenimiento del motor. Otro aspecto es que el humo que emite un vehiculo que utiliza biodiesel es menor al momento del arranque. Un dato importante es que al utilizar biodiesel existe una perdida de potencia de hasta un 15% lo que conlleva a un aumento del consumo, pues el biodiesel posee un poder energético mas bajo que el del diesel (121,000 Btu y 135,000 Btu respectivamente) Pero, con mezclas inferiores a 20%, la perdida de potencia es mínima y el funcionamiento del motor es similar al del diesel convencional. La Universidad de Missouri (Columbia, Estados Unidos) realizo pruebas sobre los efectos del biodiesel B100 de soja en dos motores Cummins 5.9L instalados en dos pickups Dodge años 1991 y 1992. El vehículo 1991 recorrió utilizando biodiesel poco mas de 85000 kilómetros y el motor funciono por 1524.8 horas, mientras que el vehículo 1992 tuvo un recorrido de 80243 kilómetros con un funcionamiento del motor de 1259 horas. Los vehículos fueron operados con diesel los primeros meses, y luego con biodiesel por el resto de la investigación.
- 27. 26 Aquí un resumen de resultados: Consumo 9.5 km/L para el Biodiesel y 9.9 km/L para el diesel en condiciones similares de utilización. Un 4% menos. Aceite lubricante Las pruebas de laboratorio señalaron un desgaste normal de los motores. Además, no encontraron depósitos anormales en los inyectores, en la cabeza de los pistones, en las paredes de los cilindros y en las válvulas. Potencia La potencia aumento en un 3% para el motor 1991 y disminuyo en un 7% para el motor 1992. Luego los dos experimentaron perdida de potencia. Al final se establece que fue debido al diseño del motor y a la composición del combustible, se puede decir que hubo una leve disminución en la potencia de los motores. Emisión de gases El pickup 1991 presenta una disminución de CO, CO2 y opacidad, los HC se mantuvieron pero los NOx subieron. Situación catalogada como normal. Para el pickup 1992, bajaron el CO2 y la opacidad, no hubo disminución de los HC y el NOx y el CO aumentaron, pero este aumento fue ligero y difiere poco de las emisiones cuando se utilizo diesel convencional. Fuente: http://web.missouri.edu/~schumacherl/Cummins_5.9L_Biodiesel_Fueled_Engines.pdf
- 28. 27 EFECTOS DEL BIODIESEL EN EL SISTEMA DE ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE La lubricidad es un término cuantitativo que describe la capacidad que tiene un líquido de afectar la fricción entre las superficies que están en movimiento relativo bajo carga y determinar el desgaste a las superficies de metal. Existen de varias técnicas la evaluación de lubricidad: . • HFRR Dispositivo de Oscilación de Alta Frecuencia (High Frequency Reciprocating Rig) • BOCLE Evaluador de Lubricidad de Bola sobre Cilindro (Ball-on-Cylinder Lubricity Evaluator) • SLBOCLE Evaluador de Lubricidad de Bola sobre Cilindro de Marcas por Carga (Scuffing Load Ball-on-Cylinder Lubricity Evaluator) • Prueba de Perno de Falex y Bloque en V • Prueba de Cuatro Bolas La lubricidad es un factor importante en el diesel o en el biodiesel pues los sistemas de alimentación como la bomba de inyección y los inyectores están lubricados por medio del combustible. Si existe un valor bajo de lubricidad existirá un desgaste mayor de los componentes, causando un mayor costo de mantenimiento e incluso la necesidad anticipada de recambio de piezas. El biodiesel posee un alto nivel de lubricidad aumentando así la capacidad de lubricación en los componentes, como se demuestra en la siguiente tabla.
- 29. 28 A través del sistema BOCLE (Ball On Cylinder Lubricity Evaluation), se evaluó la lubricidad, entre mas alto es el valor mejor es la lubricidad. Porcentaje de mezcla del Biodiesel y Diesel Diesel del petróleo BOCLE (gramos) Diesel LSD BOCLE (gramos) 0.00% 2200 4250 0.10% 2750 5000 0.20% 3450 5000 0.30% 3200 5550 0.40% 3500 5500 1.00% 3200 5700 10.0% 6000 6000 20.0% 6000 6000 100% 6000 6000 * Pruebas efectuadas por Engineering Testing Services Tabla 2: Evaluación BOCLE de lubricidad Fuente: www.mbm.net.au/b100/index2.html A medida que aumenta el porcentaje de mezcla también lo hace la lubricidad. El Biodiesel puro (B100) o mezclas mayores a un 30 % pueden causar daños en ciertos componentes de la inyección, como empaques, sellos o mangueras, esto debido a los materiales que lo componen pues no son compatibles, en el caso de utilizar esas mezclas se deben remplazar dichos componentes. Mezclas iguales o inferiores a un 20% no deberían causar desperfectos.
- 30. 29 El biodiesel no es compatible con polímeros que muestran un comportamiento elástico, fabricados con caucho natural y piezas de cobre o que contengan ese metal. En una prueba realizada por el Instituto de Investigación de Southwest sobre la resistencia a la tensión, elongación, dureza y variaciones de volumen de ciertos elastómeros en presencia de B100, B20 y B30, se comprobó el biodiesel puro o mezclado es compatibles con todos los elastómeros probados (Teflón, Nylon 66, Nitrilo, Viton A401C, Viton GFLT, Fluorsiliconas, Poliuretano, Polipropileno) aunque hubo pequeñas diferencias con la goma de Nitrilo. Los elastómeros que mejor desempeño tuvieron con el biodiesel son el Teflón, Viton 401C y Viton GFLT. Se debe tener en cuenta que el biodiesel con el tiempo llegara a ablandar y degradar ciertos tipos de elastómeros y compuestos de caucho natural usados en mangueras y sistemas de sellado de bombas de combustible más viejas. La mayoría de los vehículos construidos después de 1994 poseen tuberías y sellos completamente sintéticos, con lo cual no sufrirán este problema. Los vehículos más viejos deben ser inspeccionados antes de utilizar altos porcentajes de mezcla para asegurarse que el sistema de alimentación de combustible no contenga los compuestos de elastómeros incompatibles con el biodiesel, de lo contrario necesitará reemplazarlos. Los fabricantes recomiendan que las gomas butílicas o naturales no entren en contacto con biodiesel puro, pues quedarán pegajosas y se disolverán. Además el biodiesel tiene un efecto solvente que puede liberar depósitos acumulados en las paredes del tanque de combustible o en las tuberías, obstruyendo los filtros del sistema. Se debe tomar precauciones para evitar que estos depósitos consigan llegar a los filtros de combustible del motor.
- 31. 30 Con respecto al almacenaje y el transporte del biodiesel se debe tenerse presente la compatibilidad con metales o aleaciones que contengan cobre, bronce, plomo, zinc y estaño pues estos metales pueden catalizar reacciones químicas de degradación del combustible. Utilizar recipientes de polietileno o polipropileno muy delgado puede provocar problemas de filtraciones, para evitar esto se debe depositar en contenedores de plástico hechos de polipropileno de alta densidad u otros plásticos con un recubrimiento interior fluorado. Los materiales más adecuados para el almacenaje son el acero inoxidable, el aluminio, el polipropileno fluorado, el polietileno fluorado, el teflón y la fibra de vidrio. En general las precauciones que se toman para almacenar diesel son las mismas para el biodiesel, minimizar contendido de agua, y otros contaminantes, minimizar la exposición al sol, minimizar cambios de temperatura etc. El biodiesel sufre de un problema de oxidación si permanece almacenado por períodos de más seis meses, experimentando cambios en su número ácido, viscosidad y número de cetanos. Algo similar ocurre con el BD20, aunque en menor medida. Pruebas desarrolladas en motores que funcionaron con combustibles almacenados durante dos años evidenciaron un mal funcionamiento de la bomba de combustible, por lo que no se recomienda el uso del biodiesel cuando su número ácido este fuera de lo normal. Para tiempos mayores de almacenaje se recomienda usar aditivos especiales que lo estabilicen, como el TBHQ (butil hidroquinona terciaria). Otras precauciones adicionales son las de evitar el contacto con superficies pintadas, se recomienda limpiarlas inmediatamente cuando se salpiquen con biodiesel puro y evitar la exposición prolongada del concreto al biodiesel pues causa un deterioro prematuro en el mismo.
- 32. 31 Otro estudio realizado por la Universidad de Missouri en autobuses arrojo resultados relacionados a los efectos del biodiesel en los sistemas de alimentación. Se recolectaron datos de 10 autobuses de una empresa en San Luis, Missouri (EEUU) durante 26 meses, 5 autobuses utilizaron B20 y los restantes 5 utilizaron diesel LSD. En los primeros meses los autobuses que utilizaron B20 presentaron obstrucciones en los filtros de combustible, causando constantes averías en los autobuses. El causante del problema fue el procedimiento de mezclado, pues primero la mezcla se realizaba durante el llenado del tanque haciendo que la proporción del combustible fuera mayor al 20%. Las mezclas superiores a ese porcentaje disolvieron los sedimentos depositados por el combustible anterior en el tanque, causando el daño de los filtros. El problema se resolvió cuando adquirieron B20 por medio de un proveedor. Otro aspecto estudiado fue el desgaste de los inyectores de combustible. Después de 13 meses de proyecto, aparecieron problemas en los inyectores de los autobuses que utilizaban B20, los inyectores fueron enviados a Diesel Technology Corporation para su análisis y se determino que el problema era ocasionado por la formación de burbujas de aire en el interior del combustible cuando pasaba a gran velocidad a través del inyector, esto es conocido como cavitación. No obstante no se pudo determinar una causa clara de la cavitación. Se decidió equipar con inyectores nuevos a 3 autobuses que utilizaban diesel LSD y 3 que usaban B20. Al finalizar el proyecto se analizaron 2 inyectores de cada uno y se determinó que no presentaron desgastes, deformaciones o depósitos anormales Fuente: http://www.biodiesel.org/resources/reportsdatabase/reports/tra/19960701_tra-042.pdf
- 33. 32 EFECTOS DEL BIODIESEL EN EL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR La calidad del aceite es fundamental para lubricar las piezas en movimiento y limitar el desgaste del motor y en todos ellos el lubricante siempre se contamina con el combustible que pasa en pequeñas cantidades al carter de aceite a través de los añillos. El diesel es más liviano que el aceite y reduce la capacidad de este para lubricar el motor, con el tiempo los componentes químicos del aceite y el combustible comienzan a formar aglomeraciones y finalmente se convierte en un lodo espeso, dificultando el movimiento del aceite y dañando el motor. Normalmente existe mayor dilución del aceite en motores diesel de inyección directa que en motores de inyección indirecta. A principios de los 80 Volkswagen realizo pruebas de durabilidad en motores de inyección indirecta e indirecta utilizando 100% biodiesel. Se observo que en el motor con inyección indirecta no existieron daños o alteraciones fuera de lo normal en su funcionamiento, pero en el motor con inyección directa se encontró que la dilución del aceite era superior a los limites permitidos y se demostró que el espesamiento del aceite ocurría mas rápido que en los motores de diesel a base de petróleo debido a la composición química del biodiesel. Para asegurar que estos daños no ocurrieran la Volkswagen utilizar mezclas iguales o inferiores al 30%. Actualmente estos problemas se han solventado gracias a las mejoras en los aditivos que usan los aceites, volviéndolos más resistentes a la dilución, esto da cabida al uso de mezclas mayores. Otro estudio sobre el comportamiento del biodiesel en el aceite demostró que debido su alto grado de lubricidad se reduce las partículas de metal y carbón aumentando la vida útil del motor.
- 34. 33 Pruebas realizadas en Canadá y Estados Unidos con distintas mezclas comprobaron reducciones significativas de partículas de metal en el aceite, en un caso se observo una disminución de limaduras del 30 %, utilizando una mezcla B10. Los diferentes tipos de partículas en el aceite están asociadas a diferentes desgastes de las partes del motor. Ejemplo: • Hierro: desgaste de las paredes de los cilindros, árbol de levas y cigüeñal. • Aluminio: desgaste de los pistones. • Cobre y plomo: desgaste de los cojinetes. • Cromo: desgaste de los anillos de los pistones. • Silicio: desgaste de los componentes de los filtros de combustible y de aceite. Mediante pruebas realizadas a un motor Cummins 5,9L de inyección indirecta, que utilizo biodiesel puro y que estuvo en funcionamiento por 160 000km, se encontró un desgaste igual o inferior al de un mismo motor que uso diesel convencional, esto debido a la reducción de partículas de carbón. En general las pruebas muestran que en los motores que utilicen mezclas iguales o menores a un 20% y sin importar el tipo de sistema de alimentación, no presentarán desperfectos en el motor e incluso aumentarán la vida útil de éste, pero en motores con inyección directa con mezclas mayores que B20 se puede producir espesamiento del aceite. Volkswagen realizo una prueba de durabilidad con el objetivo de investigar el comportamiento del biodiesel en motores diesel existentes, utilizando vehículos y motores de producción en línea.
- 35. 34 Estas pruebas fueron realizadas con B100 en motores diesel 1,6L de inyección directa, en bancos de prueba o instalados en vehículos como el Passat. Nº de cilindros 4 en línea Proceso de combustión Cámara de torbellino Cilindrada 1.588 cm3 Diámetro/carrera 76.5 mm/86.4 mm Relación de compresión 23 Bomba de inyección rotativa Tabla 3: Especificaciones del motor VW 1.6L La prueba contemplo 1.000 horas de operaciones a máxima potencia y 300 a torque máximo. Se analizaron más de 19 muestras de aceite lubricante y al final de la prueba se desarmo el motor para examinar el desgaste. Las muestras de aceite mostraron niveles admisibles de sólidos y alcalinidad. El desgaste de los anillos de pistón, los cojinetes de fricción, las camisas de cilindros y los asientos de válvulas se encontraron dentro de las especificaciones de Volkswagen y son consideradas como desgastes normales. En las pruebas realizadas a motores con inyección directa bajo las mismas condiciones los desgastes del motor estuvieron dentro de las especificaciones pero nuevamente se aprecio una mayor dilución del aceite cuando se utilizo B100. Actualmente la evolución tecnológica de los motores hacia un mejor consumo y menos emisiones contaminantes logró indirectamente una menor dilución del aceite bien sea empleando diesel o biodiesel.
- 36. 35 CAPÍTULO 3 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
- 37. 36 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El biodiesel es un combustible de origen orgánico y renovable procedente de aceites vegetales usados o sin usar y de grasas animales, destinado al uso en motores de automoción como sustituto al gasóleo convencional de origen fósil. Las principales ventajas son de tipo energético y medioambiental, pues constituye una fuente de diversificación energética y de activación del sector agrícola, posee la ventaja de reciclar un residuo como es el aceite usado y de disminuir el efecto invernadero gracias al consumo de CO2, provocado por la combustión del biodiesel, durante el crecimiento del cultivo. Se puede establecer que los resultados del uso del biodiesel pueden variar según la materia prima o composición del combustible, la antigüedad o el diseño del motor y las condiciones de uso. Las ventajas y desventajas del biodiesel no se pueden generalizar eligiendo varias pruebas realizadas a ciertos motores y analizando sus resultados, pero existen similitudes alrededor del mundo que permiten establecer una referencia. Si se utiliza el B20 se obtiene buenos resultados en las emisiones de gases, existiendo un leve incremento en el NOX, disminuye la opacidad y mantiene un valor aceptable de dilución del aceite. Puede causar ciertos inconvenientes en los filtros de combustible debido al poder disolvente del biodesel en los sedimentos del tanque o las tuberías y en menor medida puede causar problemas por la incompatibilidad de los materiales al combustible.
- 38. 37 Es recomendable revisar constantemente el funcionamiento del motor y sus componentes durante los primeros días que utiliza biodiesel, en especial con mezclas mayores a un 20%, con el fin de descubrir posibles desperfectos. A pesar de las ventajas y del apoyo gubernamental, queda mucho camino por recorrer en el tema de los biocombustibles. Se debe mejorar su posición en el mercado frente a los derivados del petróleo, tanto en costo como en rendimiento, se necesita implantar normas y establecer beneficios para garantizar y optimizar el proceso productivo, aprovechar los productos generados por la fabricación del biodiesel, vigilar el cumplimiento de las especificaciones en las estaciones de servicio, establecer los cultivos que generen mejor rendimiento sin afectar el sector alimenticio, implementar este tema en la educación técnica y formal, realizar campañas de publicidad e información y lograr el apoyo y respaldo de los importadores de vehículos. Con esto se logrará que el biodiesel tome un papel cada vez más relevante en país como aditivo o sustituto del diesel.
- 41. 40 ANEXO
- 42. 41 ¿QUE SON LOS GASES DE ESCAPE? La contaminación del aire es causada por la presencia en la atmósfera de sustancias nocivas para el medio ambiente, en concentraciones y duración que causan daños a la salud humana, animal y vegetal. El sector transporte es uno de los focos de emisión de contaminantes. Su aporte corresponde a dos tipos principales de emisiones: Material particulado y gases contaminantes. Los vehículos automotores de acuerdo al combustible utilizado ya sea diesel o gasolina contribuyen con determinados elementos nocivos emitidos por los gases de escape a la contaminación ambiental. La composición de las emisiones de un vehículo automotor proviene principalmente de los gases de escape y depende en gran medida del tipo de combustible, peso del vehículo, diseño del motor, condiciones de tránsito y hábitos de conducción.
- 43. 42 COMPONENTES DE LOS GASES DEL ESCAPE DE DIESEL Hidrocarburos (HC) Junto con los hidrocarburos aromáticos (PAH, nPAH) loa HC son compuestos orgánicos volátiles que incluyen una amplia gama de compuestos químicos y son generados por una combustión incompleta. Afectan directamente a la salud, reaccionan en la atmósfera con la luz solar para producir ozono a nivel del suelo. El efecto tóxico del ozono se debe a su capacidad para generar radicales libres, los cuales producen la oxidación de ácidos grasos no saturados en células pulmonares, también la exposición a este gas provoca irritaciones de piel, ojos y conductos respiratorios; si el nivel es muy alto, provocará depresiones, mareos, dolores de cabeza y náuseas. Monóxido de Carbono (CO) Se produce por una combustión incompleta del carbón contenido en el combustible. Afecta la salud pues se unen irreversiblemente a la hemoglobina de la sangre disminuyendo así su capacidad para transportar oxígeno a los tejidos. Afecta la capacidad de trabajo físico e intelectual. Inhibe el sistema enzimático que metaboliza fármacos y puede causar la muerte cuando se respira en niveles elevados. Material Particulado (MP) También llamadas partículas en suspensión, corresponden a partículas cuyo tamaño aproximado es de 1,3 micrones de diámetro en promedio y está compuesto de hollín, hidrocarburos condensados, sulfatos y compuestos de azufre, producto de la combustión. La exposición prolongada puede causar cáncer, irritación en las vías respiratorias por la presencia de SO2 así como lluvia ácida.
- 44. 43 Potencial de destrucción de la capa se ozono Es un valor que se refiere a la cantidad de destrucción de ozono estratosférico causado por una sustancias la razón entre el impacto sobre el ozono causado por una sustancia determinada y el impacto causado por una masa similar de CFC-11 (el potencial de agotamiento del CFC-11 está definido como 1). Por ejemplo, el potencial de una sustancia como halón-1301 es 10, lo que significa que su impacto sobre el ozono es diez veces mayor que el del CFC-11. El bromuro de metilo tiene el potencial 50. Óxido de Nitrógeno (NOx) Se forman en condiciones de alta temperatura y presión con exceso de aire. Provocan daño a la salud, además de ser un precursor del ozono, el NOx contribuye a otros efectos, provoca daño pulmonar, disminuyendo los mecanismos pulmonares de defensa, incrementa la permeabilidad del epitelio bronquial y de la membrana de los alvéolos pulmonares. Efectos en la salud por la exposición a los gases A corto plazo, aspirar los gases de diesel puede provocar tos, picazón o quemazón en los ojos, presión en el pecho, respiración con silbido y respiración dificultosa. Esos efectos desaparecen cuando la persona se aleja de la fuente de donde provienen los gases. A largo plazo (digamos unos 20 años), la exposición a los gases de diesel puede aumentar el riesgo de cáncer en los pulmones y posiblemente cáncer de la vejiga. También existe evidencia adicional de que las partículas finas del material formado de partículas de diesel pueden agravar los problemas del corazón y enfermedades respiratorias como el asma.