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4.4 Combustibles sintéticos para transporte
a) Definición:
Los combustibles sintéticos para transporte (CST) se producen mediante procesos de conversión, incluyendo los métodos Fischer-Tropsch (FT), a partir de materia prima carbonosa tal como biomasa, carbón mineral, gas natural. Los CST pueden obtenerse como gasolina, diésel, etanol y metanol.
Los combustibles líquidos a partir de carbón mineral y gas natural (CLCGN) se obtienen principalmente por el proceso Fischer-Tropsch (FT), con la desventaja de originar la emisión de gas invernadero, pero que puede manejarse con la captura y secuestro del dióxido de carbono.
También el carbón mineral puede convertirse directamente en combustible líquido por el proceso de hidrogenación, siguiendo el método Bergius (B), consistente en hidrogenar carbón mineral bajo alta temperatura y alta presión, produciendo hidrocarburos líquidos que pueden refinarse hasta obtener combustibles sintéticos.
Proceso Fischer-Tropsch (FT): el proceso FT produce combustibles líquidos convirtiendo el gas de síntesis (mezcla de H2 y CO), proveniente del reformado, con vapor de agua del carbón mineral o gas natural, obteniendo diésel que puede sustituir al diésel petrolero convencional, para accionar motores Diésel sin modificarlos.
El proceso FT comprende tres etapas:
1. Producción del gas de síntesis (gasificación de carbón o reformado de gas natural).
2. Reacción de síntesis FT (la clave para este método es el catalizador, además de la alta temperatura y presión). Existe la posibilidad de reformar el biometano para obtener el gas de síntesis renovable.
3. Gasificación de biomasa. Primero se realiza el calentamiento y oxidación parcial de biomasa para obtener el gas de síntesis, y de ahí se sigue la ruta FT. Luego, se realiza la pirólisis de biomasa, que es el tratamiento térmico sin presencia de oxígeno para producir hidrocarburos líquidos, y de ahí se pasa a la refinación.
Los procesos de gasificación y pirólisis usan energía térmica y reacciones químicas para producir combustibles, productos químicos y generación de potencia.
En general, se debe considerar el balance energético entre el consumo de energía para producir un combustible y el rendimiento térmico del combustible producido, para que sea viable tecnológicamente.
b) Beneficios:
– Compatibilidad de uso de los CST en la infraestructura para su distribución y en motores tipo Otto y Diésel, sin modificaciones.
– Incremento de la seguridad energética, control de reducción de emisiones, menor generación de gases invernadero (el CO2 capturado en el crecimiento de la materia prima es mayor que el producido durante el quemado del combustible).
– Similar o mejor rendimiento respecto a los combustibles convencionales.
5. ENERGÍA Y POTENCIA
La energía es la capacidad de producir trabajo. La energía se puede presentar como energía mecánica, energía potencial, energía cinética, energía eléctrica, o incluso energía calorífica.
La potencia es la energía generada, producida o perdida en un determinado tiempo. Algunas formas de expresar la energía son:
| E = m.v2/2 | energía cinética o de movimiento, donde “v” es la velocidad del cuerpo de masa “m” |
| E = m.g.h | energía potencial, donde “h” es la altura relativa del cuerpo de masa “m” con una gravedad “g” |
| E = V·i·t | energía eléctrica, donde “V” es el voltaje, “i” la corriente y “t” el tiempo |
5.1 Energía mecánica
La energía mecánica es aquella producto de la suma de las energías potencial y cinética de un sistema.
La energía mecánica se presenta al levantar un peso a una determinada altura, o empujar un objeto en rozamiento a una distancia determinada y a una velocidad constante.
La expresión de energía mecánica será:
| E = T.n.t | donde “T” es el torque, “n” la velocidad angular del eje de accionamiento, y “t” el tiempo |
| E = F.d | donde “F” es la fuerza de accionamiento y “d” la distancia recorrida |
5.2 Energía eléctrica
La energía eléctrica es aquella que resulta de la diferencia de potencial o voltaje entre dos puntos o polos, de tal manera que la carga eléctrica se transporta o fluye a través de un conductor, corriente que determina un trabajo que puede ser aprovechado o transformado en otro tipo de energía.
5.3 Energía térmica
La energía térmica es la energía interna o movimiento de las partículas de un cuerpo a una temperatura determinada. La transferencia de la energía interna se da por medio del flujo de calor. Asimismo, los cuerpos pueden recibir energía interna por radiación, convección o conducción directa. Si la transferencia de energía es a temperatura constante, entonces se tendrá un cambio de estado de la materia o calor latente.
Algunas formas de expresar la energía térmica son:
Energía sensible:
| E= m.ce.∆T | “m”, masa; “ce”, calor específico; “∆T”, diferencia de temperatura |
Energía latente:
| E=m.CL | “m”, masa; “CL”, calor latente |
5.4 Diferentes tipos de potencia
La potencia es la división del trabajo entre el tiempo como definición general, y se puede determinar como la fuerza por la velocidad o el torque por la velocidad angular para el caso de motores de combustión interna, o el voltaje por la corriente para el caso de los motores eléctricos, entre otros.
6. TECNOLOGÍA AUTOMOTRIZ
Los motores de combustión interna son los equipos térmicos que generan el movimiento dinámico de la tecnología automotriz. El término “automotriz” puede referirse a autos, camiones, buses, lanchas o yates con motores fuera de borda, y motores de avión. Cabe resaltar que el uso de motores de combustión interna también se aplica a grupos electrógenos o grupos estacionarios de generación de corriente eléctrica.
6.1 Generalidades de los motores de combustión interna y combustibles
Los motores de combustión interna son máquinas térmicas que utilizan la energía del combustible transformándola en trabajo mecánico giratorio.
A través del tiempo se han desarrollado diferentes máquinas y motores tanto de combustión interna como de combustión externa, de acuerdo con las diferentes necesidades y condiciones de utilización.
Se cuenta con motores de combustión externa, como la máquina de vapor o los calderos, donde la energía de calor es exterior al mecanismo de funcionamiento. En los motores de combustión interna, la energía térmica se encuentra en la cámara de combustión de la máquina. Los equipos más relevantes en este campo son los motores Otto y los motores Diésel.
6.2 Principio de funcionamiento de un motor de combustión interna
Un motor de combustión interna para su funcionamiento necesita de un combustible gaseoso o líquido vaporizado, de tal manera que se producirá una explosión dentro de su cámara de combustión, y finalmente, a través de un sistema de mecanismo mecánico, se transforma dicha explosión en trabajo mecánico giratorio.
Los dos ciclos termodinámicos más importantes de los motores de combustión interna son el ciclo Otto y el ciclo Diésel. El primero puede usar como combustible gasolina, GLP, gas natural, o inclusive alcohol o mezclas. El ciclo Diésel puede usar como combustible petróleo diésel, biodiésel, o mezcla.
6.3 Consumo de combustible y consumo específico de combustible
Se han tomado datos experimentales del consumo de combustible para un motor Diésel y un motor a gasolina en función del régimen o rpm del eje cigüeñal del motor. El consumo de combustible tiene un incremento parabólico con las rpm del motor, partiendo de un valor inicial que corresponde al consumo de combustible en mínimas revoluciones, para vencer las pérdidas propias de cada motor.
Los valores de referencia para un motor a gasolina son 0,7 kg/h de combustible a 800 rpm. El motor tiene una cilindrada de 1400 cm3. Y los valores de referencia para un motor Diésel son 0,5 kg/h de combustible a 800 rpm y 1900 cm3 de cilindrada. En ambos casos se trabajó sin carga, es decir, el motor solo vencía la resistencia del freno dinamométrico. Dicha resistencia es de un Nm de torque, según la curva de error del freno empleado.
El consumo específico de combustible indica la relación entre el consumo de combustible y la potencia para un determinado régimen o velocidad angular. Según este criterio, el parámetro de consumo específico de combustible tiende a subir parabólicamente con el aumento de las rpm, y alrededor de las 2500 rpm la curva alcanza su valor mínimo, para luego, a 3000 rpm, iniciar su ascenso parabólico. Este resultado es razonable, pues a altas revoluciones el consumo de combustible crece con tendencia cuadrática. Este comportamiento es razonable comparado con otros motores de combustión interna.
6.4 Cálculo de la eficiencia de los motores
La eficiencia de los motores de combustión interna se mide como la relación entre la potencia efectiva del eje cigüeñal del motor y la potencia entregada por el combustible.
La potencia del motor está dada por:
| Pot=T.n | donde “T” es el torque del motor y “n” la velocidad angular del motor, generalmente en revoluciones por minuto |
La potencia entregada por el combustible es el consumo de combustible por el poder calorífico inferior del mismo.
Potcomb= m*. PCcomb, donde “m*” es flujo de masa en kg/h o equivalente, “PCcomb” es el poder calorífico en kJ/kg o similar
La expresión de la eficiencia del motor será:
Es importante resaltar que la eficiencia de un motor depende de muchas variables, tales como la presión de admisión, presión ambiente, relación de compresión, presión de escape, coeficiente de llenado de mezcla, y otras más. No obstante, para nuestro estudio consideramos los distintos tipos de combustible y mezclas, de tal manera que la eficiencia del motor estará en función del respectivo poder calorífico.
RESUMEN Y CONCLUSIONES
En este capítulo se han desarrollado los principios fundamentales que permiten entender los diferentes campos tecnológicos que exige la investigación de combustibles alternativos. Es necesario conocer los orígenes en la utilización de la energía convencional y la no convencional, sus efectos sobre el medio ambiente y el planeta, para lograr una mayor atención sobre el estudio realizado.
| Capítulo 2 | Biocombustibles: clasificación, insumos y producción |
En este capítulo se tratan los siguientes temas:
• Biocombustibles e insumos de primera generación
• Producción de biocombustibles de primera generación
• Biocombustibles e insumos de segunda generación
• Producción de segunda generación de combustibles
• Biorrefinación
En la época actual, la humanidad enfrenta un problema serio con su medio ambiente, que se encuentra muy desprotegido por el avance desmedido del uso de los hidrocarburos fósiles no renovables.
Con el estudio intenso de alternativas que utilizan biocombustibles, la comunidad científica internacional busca revertir el problema de la excesiva contaminación de nuestro ecosistema. Este capítulo se refiere a los insumos y producción de biocombustibles como alternativa al uso del petróleo.
En este capítulo se realiza una clasificación de los biocombustibles, aceptada por la comunidad internacional, y se muestran los insumos utilizados y las alternativas para su producción.
Para esta sección se ha tomado como base la información del Grupo de Trabajo de Biocombustibles del Congreso Nacional del Medio Ambiente GT-BlOC 9 (Conama, 2008a).
1. BIOCOMBUSTIBLES E INSUMOS DE PRIMERA GENERACIÓN
Se denominan biocombustibles a aquellos combustibles que se obtienen de biomasa, mediante un proceso sostenible. Los llamados de primera generación indican la existencia de otro tipo de biocombustibles, que no son de primera generación y que actualmente están en desarrollo.
En realidad no existe una clara definición, pero se entiende que son aquellos que se producen a partir de materias primas convencionales; reducen emisiones de gases de efecto invernadero respecto a los combustibles fósiles; tienen presencia en el mercado; son muy importantes para el desarrollo de nuevas generaciones de biocombustibles y se producen sosteniblemente.
Las materias primas utilizadas para la obtención de biocombustibles tienen en común que utilizan insumos existentes también en el mercado alimentario, lo cual ha generado preocupación y críticas de la población, al distraer alimentos para fabricar combustibles que finalmente serán quemados para accionar el motor de un vehículo.
Dependiendo de qué tipo de materia prima se emplee y qué tipo de producto se obtenga, la reducción de emisiones de gases contaminantes será posible.
El ingreso al mercado de biocombustibles de primera generación mezclados con combustibles de origen fósil, no obstante su mayor precio, ha permitido su comercialización y se ha logrado disminuir la contaminación atmosférica.
Para que existan biocombustibles de segunda generación ha sido necesaria la existencia de biocombustibles de primera generación, y se ha conseguido una coexistencia de ambas generaciones. Un requisito obligatorio para la producción de cualquier tipo y generación de biocombustible, es que éste se produzca de una manera sostenible. Entre los principales biocombustibles de primera generación que se pueden producir sosteniblemente están el biodiésel, el bioetanol y el biogás.
1.1 Biodiésel
El biodiésel se produce a partir de aceites vegetales y grasas animales. Las materias primas utilizadas en Perú para su producción son aceite de palma, aceite de soya y también aceite de piñón blanco, en respectivo orden de magnitud.
1.1.1 Aceite de palma
De todas las cosechas de aceite actuales, la palma de aceite es la que da las producciones más altas por hectárea. La fruta de la palma es un hueso de cáscara central dura rodeado por una pulpa externa (mesocarpio) que contiene el aceite de palma. El fruto contiene un hueso, del cual se extrae por prensado un tipo diferente de aceite, aceite de palmiste (palm kernel oil), dejando un residuo proteico valioso como pienso animal, la torta del núcleo de la palma.
La palma africana es originaria del Golfo de Guinea (África occidental) y se extiende hasta 15° de latitud norte y sur, pero las partes más productivas de la industria están actualmente en Malasia e Indonesia, que proporcionan la mayoría del aceite que se incorpora al comercio internacional.
De los racimos cosechados de las palmas se obtienen dos productos: el aceite crudo de la pulpa de los frutos, y las almendras que están dentro de las semillas, de las que se obtiene el aceite de palmiste.
Los racimos cosechados de las palmas se deben llevar a una planta extractora cercana al cultivo para ser procesados tan frescos como sea posible. Allí se refinan y se fraccionan los aceites para producir las oleínas y las estearinas de palma y de palmiste, que sirven para la fabricación de múltiples productos comestibles y no comestibles incorporados a la vida diaria de la población mundial. De igual manera, la torta del palmiste obtenida al extraer el aceite de las almendras, se aprovecha para la fabricación de concentrados para la alimentación animal.
El aceite que se extrae de la pulpa de los frutos es el más abundante, representando entre el 40 % y el 50 % del peso de cada fruto individual, mientras que en los racimos, el aceite representa entre el 19 % y el 25 %.
Sin embargo, en la realidad del país palmicultor, se encuentra una amplia gama de productividad que va desde 2,5 hasta 6,3 toneladas anuales de aceite por hectárea, dependiendo de la zona donde se desarrolle el cultivo, del manejo que se le brinde, de la capacidad genética de sintetizar y almacenar aceite, de las condiciones climáticas, de la calidad del proceso y de los equipos en las plantas extractoras.
En cuanto al aceite extraído de palmiste o almendra, se debe señalar que representa alrededor del 4,4 % del peso de cada fruto y entre el 2,5 % y el 3,5 % respecto del peso del racimo. De esta manera, teóricamente, se podrían obtener entre 780 y 980 kilogramos de aceite de palmiste por hectárea.
Del procesamiento de la almendra o palmiste, entre el 50 % y el 56 % del producto obtenido es torta, variación que depende de la limpieza del palmiste, que contiene entre el 17 % y el 19 % de proteína, según el tipo de extracción empleado.
1.1.2 Aceite de soya
El aceite de soya es el aceite que se obtiene de la semilla de la soya (glycine max). Era conocido en China 3000 años antes de Cristo. Tiene muy buena calidad y bajo costo, y actualmente es el de mayor producción entre los aceites vegetales del mundo.
La soya es una planta leguminosa cuyo fruto es parecido a la alubia y es rico en proteínas. Su aceite se extrae de las semillas de soya glicine max merr, soya híspida moench y dolichos soya, y aunque en nuestro país no está muy introducido, en el resto del mundo es el aceite más consumido.
El aceite de soya es bastante equilibrado en su composición de ácidos grasos. Contiene aproximadamente un 15 % de ácidos grasos naturales como palmítico y esteárico, 25 % de oleico, 55 % de linoleico y 5 % de linolénico. Este aceite tiene también un elevado contenido de tocoferoles y fosfatados (1,8 %). El ácido linolénico contiene tres dobles enlaces y es fácilmente oxidable, lo que da como resultado una menor estabilidad de los aceites en el almacenamiento. Durante el proceso de hidrogenación se eliminan los dobles enlaces y mejora su estabilidad.
1.2 Bioetanol
Los procesos industriales de obtención de etanol existentes en la actualidad emplean las siguientes materias primas: cultivos ricos en almidón, melazas de caña, alcoholes residuales de origen vinícola. En Perú se emplea principalmente la caña de azúcar.
1.2.1 Cultivos ricos en almidón
Una de las principales características a tener en cuenta es la cantidad de almidón contenida en los cultivos. Será por tanto un factor determinante a la hora de obtener un rendimiento u otro.
El almidón es un polímero compuesto de unidades de glucosa (D-glucosa), que a su vez están dispuestas formando dos tipos de estructuras poliméricas:
Amilosa: polímero lineal, formado por unidades de glucosa unidas mediante enlaces α (1-4).
Amilopectina: polímero formado por unidades de glucosa unidas mediante enlaces α (1-4) y que presenta ramificaciones aproximadamente cada 25 unidades de glucosa. Estas ramificaciones surgen mediante la formación de enlaces α (1-6) entre las unidades de glucosa.
Las diferencias estructurales existentes entre ambos polímeros vienen determinadas por el tipo de enlace establecido entre las unidades de glucosa. Por ello, a la hora de hidrolizar el almidón para liberar las unidades monoméricas que lo componen, es necesario operar en varias etapas.
Además, es importante destacar que el contenido en amilosa y amilopectina puede variar dependiendo de la materia prima, y va a determinar las condiciones necesarias para llevar a cabo la hidrólisis del almidón.
Dentro de los cultivos ricos en almidón, destaca el grano de cereal (maíz, trigo, cebada y centeno). El maíz es la materia prima que se emplea mayoritariamente en Estados Unidos, mientras que en la Unión Europea las materias primas más utilizadas son el trigo, la cebada y el centeno. También hay que indicar que en los últimos años, China está comenzando la producción de bioetanol a partir de grano de trigo y maíz.
En cuanto a su composición cabe destacar que el trigo, la cebada y el centeno tienen un menor contenido en almidón que el maíz, por lo que la utilización de estos requerirá un sobredimensionamiento de la planta para una misma capacidad de producción.
