Lineas de Colectivos: 5A-6A-TROCAL-TRANSVERSAL

proyectos de investigación institucionales

"Energía alternativa biodiesel"

Investigador:  Ing. Ibarra alvarez, Juan Carlos

 

Reseña y Antecedentes:

El biodiesel es  un combustible diesel producido a partir primas renovables, como los aceites vegetales, que puede usarse en motores diesel. Químicamente  son ésteres de alquilo, de metilo o de etilo.
En USA en la Agencia de Protección de Medio Ambiente se encuentra registrado como combustible y como aditivo de combustibles.
Puede usarse como combustible puro al 100% (BD100), como mezcla al 20 % con gasoil de petróleo (BD20) , en otras proporciones de mezcla o como aditivo del 1 al 5 %. Así el biodiesel permite estirar los volúmenes de los combustibles derivados del petroleo, sin competir con ellos.
Su futuro es promisorio, ya que se lo obtiene a partir de aceites vegetales por un simple proceso de refinamiento. En el país podría usarse como base para su formulación la soja, uno de nuestros principales commodities, nuestro mayor cultivo, que lo producen unos 100.000 productores en ocho provincias.
El biodiesel es más seguro que el gasoil. El punto de ignición al estado puro es superior a los 149 º C  frente a los 52 º C del diesel. El biodiesel puro o en mezclas reduce significativamente las emisiones de partículas, las que se sospechan son cancerígenas. En mezclas de BD20 y con uso de conversores catalíticos las partículas en suspención se ven reducidas en un 27 %, por su parte el monóxido de carbono y los hidrocarburos no quemados  se reducen en un 73 %. También se reducen las emisiones sulfurosas y aromáticas.
Al ser sus emanaciones menos agresivas, su uso en lugares confinados no producen irritación ocular , ni molestias a los operarios. Al tener oxígeno incorporado en sus moléculas, la combustión es mas limpia y más completa que la del gasoil.
No requiere de tanques especiales para su almacenamiento, de hecho puro o en mezcla se almacena igual que el gasoil, excepto en tanques de concreto. Niveles altos de mezcla puede alterar la composición de gomas, plásticos o materiales de poliuroetano. Su transporte  y manipuleo es mas seguro que el del gasoil.
No requiere modificaciones en los motores y tiene iguales prestaciones y consumo que el gasoil. En USA mas de 100 demostraciones, recorriendo unas diez millones de millas con sus mezclas, no arrojaron problemas en los motores, reduciéndose humo de sus emanaciones. El biodiesel es degradable, los tests realizados en la Universidad de Idaho, mostraron que una solución acuosa se degradó un 95 % después de 28 días ( igual que el azúcar). En igual lapso de tiempo el gasoil se degradó en un 40 %. El B20 tiene mejor poder lubricante en los motores, bajando además los niveles de sulfuros y aromáticos del gasoil. El poder de arranque y el comportamiento a las bajas temperaturas son similares al del gasoil. Tampoco modifica el torque , la potencia y el consumo. Las mezclas pueden realizarse con facilidad antes de su uso, siendo muy estables.
En EEUU actualmente se usa en colectivos urbanos, en fletes de camiones de carga, en transporte en los aeropuertos, en parques nacionales y en la marina. En Alemania su demanda se  ha incrementado mucho en la molienda de colza y se vende a menor precio respecto al diesel por sus costos y los impuestos que tiene. De hecho esta  libre de impuestos, de ahí su uso preferencial. También Austria y otros países de Europa central usan biodiesel pero al estado puro. Los franceses usan bidodiesel como aditivo al 5 %. Japón tiene interés en su producción y consumo, en otras razones por problemas medioambientales.

Entre las ventajas de su uso podemos señalar : Es competitivo frente a otras alternativas que reducen la contaminación, ej. etanol. Buen complemento para todas las nuevas tecnologías de diesel para la reducción de gases contaminantes. Similar rendimiento al combustible gasoil.  No requiere nueva infraestructura su manejo, ni especial adiestramiento del personal. No se necesita cambiar o convertir motores usado a razonables proporciones de mezcla. No modifica equipos de mantenimiento, ni tiempo de recarga de combustible. No modifica el torque , ni el consumo del motor. Mejora notablemente la lubricación del motor y la bomba de inyección, Mejor funcionamiento en el invierno. Mejora las condiciones de anti-explosivo y de  incendio. La mezcla puede realizarse antes de su uso y no separa fases. Los esteres de soja se guardan en iguales lugares que los usados para el gasoil, no son tóxicos y no forman mezclas explosivas con el aire.

Con relación al medio ambiente se puede señalar : Permite reducir las partículas carbonosas en el escape, también reduce considerablemente la producción de monóxido de carbono. Igual comportamiento da con los hidrocarburos no quemados. Reduce la producción de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Menor cantidad de óxidos de azufre.  Menor producción de dióxido de carbono comparado con las gasolinas. Además los cultivos de  semillas de aceites vegetales absorben dióxido de carbono en su crecimiento que ayudan al balance de masa con las emisiones producidas.

Características del Biodiesel B20
 
B20
Gasoil
Punto de ignición 65     52
Azufre % máximo   0,04    0,05
Número de octano   50      42
Aromáticos           mucho menor  
Oxígeno     mucho mayor  
Punto nube ºF              6
Punto de fluidificación ºF        0    -5
Biodegradabilidad %                   38  26
Lubricidad, BOCLE gr 5.000     4.000
Lubricidad HFRR  Sea       193 492
Frie               0,13  0,24
Filn              93   32

En diciembre de 1997 se llevó a cabo una demostración del combustible biodiesel para el Mercosur. Emprendimiento éste , público y privado     que permitió demostrar la efectividad del combustible biodiesel en una flota de vehículos de transporte en la Argentina. Este emprendimiento contó con el apoyo de la Secretaria de Agricultura, Ganadería , Pesca y Alimentación de la Nación,  Ministerio de Asuntos Agrarios de la Provincia de Buenos Aires, Ministerio de Agricultura de la Provincia de Santa Fé , Subsecretaría de Transporte de la Nación etc. Por el sector privado participaron las empresas de transporte urbano Nuevos Rumbos SA y San Vicente SA. Estuvieron involucradas entre otras las siguientes asociaciones argentinas, Confederaciones Rurales Argentinas CRA, Cámara de la Industria Aceitera de la República Argentina CIARA, Cámara Empresaria del Autotransporte de Pasajeros. Por los EEUU participaron United Soybean Board, National Biodiesel Foundation.
El emprendimiento buscaba concretar los siguientes objetivos :

  • a.- Usar combustibles ecológicos que mejoren la calidad de vida, reduciendo emisiones tóxicas dañinas a la población.
  • b.- Reducir la amenaza que pesa sobre  posibles cambios de clima por el uso de combustibles fósiles por el incremento del C02 en el medio ambiente, al sustituirlos por combustibles de origen vegetal que equilibran el balance de materia del dióxido de carbono.
  • c.- Educar a la población en las ventajas del uso de combustibles  renovables de origen vegetal.
  • d.- Incrementar los posibles usos del aceite de soja argentino.
  • e.- Demostrar que su factibilidad producirá un fuerte impacto económico por el poder multiplicador del proyecto.

Dicho emprendimiento fue llevado a cabo con total éxito. Su implementación posterior fue imposibilitada por las características propias del país, cuyo comentario es objeto de otro estudio.

Otros Antecedentes.

Una importante cantidad de información ha sido desarrollada midiendo el impacto del biodiesel en motores diesel. La Volkswagen ha conducido pruebas en Brasil, otras pruebas han sido conducidas en Europa, USA y Canadá. Los posibles efectos del combustible en motores diesel puede ser separado en dos areas : dilución del aceite del motor diesel y desgaste del mismo.
En cualquier motor diesel, una  pequeña cantidad de combustible pasa los anillos del pistón al aceite del motor. Típicamente, se experimenta mayor dilución  del aceite en motores diesel con inyección directa que en motores con inyección indirecta. La dilución del aceite en motores es importante por dos aspectos.
Primero, el combustible diesel es mas liviano que el aceite y tiene menor poder lubricante, lo que reduce la habilidad del aceite para lubricar el motor. Segundo, después de un período de tiempo, los antioxidantes en el aceite del motor  son utilizados por combustible que filtró y comienzan a polimerizar, causando espesamiento. Por lógica el excesivo espesamiento del aceite dificulta el libre movimiento del mismo a través del motor, lo que reduce la lubricación  y aumenta su desgaste.
Volkswagen condujo pruebas de durabilidad a principios de los 80 analizando  motor diesel usado con su motor IDI y encontró que el uso de un 100% de biodiesel no afectaría adversamente el uso del motor . Al realizar pruebas de durabilidad con 100 % de biodiesel en los motores DI, se encontró que la dilución del aceite del motor por el biodiesel puro era inaceptablemente alto. De todas formas esta dilución  no aparenta tener efectos  sobre la capacidad de lubricación del motor, hasta el punto donde el antioxidante del aceite es totalmente utilizado y se produce el espesamiento del aceite . Aparte este espesamiento se realiza con mayor rapidez que con el petrodiesel, debido a la fracción insaturada de la cadena de ácidos grasos que se encuentran en los aceites del biodiesel. En apariencia esto debería implicar mayores problemas en mezclas con mayor contenido de biodiesel. Esto no es  corroborado en la literatura , ni en la experiencia.
En esa época Volkswagen recomendaba el uso de mezclas de biodiesel de hasta el 30%, para asegurar la no ocurrencia de problemas por dilución del aceite. Desde entonces, las tolerancias de los motores a la dilución del aceite por efectos del combustible, se ha reducido drásticamente. Lo que ha disminuido los problemas por espesamiento del aceite, que podrian acarrear el uso de mezclas con alto contenido de biodiesel en los motores modernos.
Virtualmente, todos los fabricantes de motores en USA mantienen las garantías existentes sobre los mismos cuando se utiliza B20 y los análisis de aceite de motores nuevos o usados, señalan la no existencia de efectos negativos. Algunas compañías como Volkswagen, apoyan el uso de mezclas con mayor cantidad de biodiesel, conforme a sus experiencias.
La Universidad de Missouri ha completado recientemente una prueba operando por 160.000 km un motor de camión liviano Cummins de 5,9 lts. El desarme de este motor por Cummins demostró el bajo desgaste y la excelente durabilidad del mismo siendo posiblemente menor que con combustible diesel convencional. La mayoría de la información dada es utilizando biodiesel puro, que desde el punto de vista de los fabricantes de motores, constituye la mayor diferencia con respecto al uso del diesel de petróleo.

Las propiedades del biodiesel y del diesel brasilero son :
 
Diesel
Biodiesel
Punto de ignición ASTM D 93 / ºC   178
DensidadASTM D 1298              0,885
ViscosidadASTM S445           1,6-6  4,5
nº de cetanos      ASTM D613                    max.45 45
punto nubeASTM D97          9-19      1
valor caloríficoMJ 35,3   33,5

Al ser las condiciones operativas del biodiesel similares a las de gasoil, los conductores de los vehículos no notan diferencias entre la operación de un combustible y del otro, excepto por la diferencia de olor del escape y la reducción del humo negro de las emanaciones de la combustión. Volkswagen concluyó en sus pruebas de durabilidad que los valores del torque, potencia, niveles de humo y compresión en los cilindros se mantienen dentro de los valores normales.
Pequeñas economías de combustible han sido observadas cuando se utiliza BD20. El poder calorífico  del biodiesel puro es menor entre un 6 y un 12 % que la mayoria de los diesel de petroleo. En las pruebas realizadas en omnibus en USA se observaron pequeñas economías  y en otros casos pequeños aumentos. Estos cambios en realidad se deben en las diferencias en el poder caloríco obtenidos en las diferentes mezclas y el diesel usado normalmente. En algunos casos el uso de gasoil muy livianos son mejorados en su poder calorífico en sus mezclas con biodiesel, como seria en el caso de usar diesel de petróleo salteño.

Hay disponible abundante información relativa a la compatibilidad de los materiales al usarlos con gasoil o diferentes mezclas de biodiesel. En términos generales el biodiesel no es compatible con elastómeros de  caucho natural o metales con contenido de cobre. El efecto en los elastómeros se minimiza al usar un BD20.
Southwest Reserch realizó recientemente una prueba en los elastómeros siguientes, utilizando un matriz de diez combustibles de biodiesel puro, B20 y B30 ; mezclados con diferentes tipos de diesel de petroleo. Se probó resistencia a la tensión, elongación, dureza y variaciones de volumen.
Elastómeros :  Teflón, Nylon 66, Nitrilo, Viton A401C, Viton GFLT, Fluorciliconas, Poliuroetano, Polipropileno.
Soudsthwest informó que el biodiesel y sus mezclas  son compatibles con todos los elastómeros probados, aunque pequeñas diferencias  con la goma de Nitrilo. Los elastómeros que mejor performance tuvieron con el biodiesel fueron el Teflón, Viton A401C y Viton GFLT.
Para depositar biodiesel o su transporte se debe tener presente su compatibilidad con metales en especial con contenido de cobre. Los contenedores de vidrio tienen un desempeño aceptable. Se han tenido algunos inconvenientes con  contenedores de polietileno muy delgado y en menor medida en contenedores de polipropileno. En el caso de contenedores de plástico se recomienda usar polipropileno de alta densidad u otros plásticos  con recubrimiento interior fluorinado. Esto para evitar filtraciones.
Como precauciones adicionales se recomienda ; con los trapos empapados en biodiesel guardarlos en contenedores o aislarlos para evitar combustiones espontaneas ;  al usar biodiesel puro se recomienda secar las superficies pintadas pues suelen deteriorarse ; con relación a la exposición del concreto al contacto con biodiesel se recomienda cuidado ya que se produce un deterioro prematuro del mismo .

En general las precauciones que se toman para almacenar gasoil son las que deben observarse para guardar biodiesel, minimizar contendido de agua, y otros contaminantes, minimizar la exposición al sol, minimizar cambios de temperatura etc. Depositado el combustible largo tiempo en algunos casos ha experimentado cambios, en su número ácido, viscosidad y número de cetanos. Esto en casos de 6 a 12 meses de depósito. El tiempo incrementa estos cambios. Algo similar ocurre con el BD20, aunque en menor medida. Lo que señala sus condiciones de seguridad en su almacenamiento.
Pruebas desarrolladas con combustibles almacenados durante dos años frente a otros recién formulados no arrojaron mayores inconvenientes pese a que su número ácido y viscosidad habían cambiado al punto de estar fuera de especificaciones. Los inconvenientes detectados se  manifestaron  en el mal funcionamiento de la bomba de combustible, por lo que no se recomienda su uso cuando su número ácido este fuera de lo normal.
Si el consumo de biodiesel se  realiza entre los 6 y 9 meses de producido no  deben tomarse  precauciones especiales en su almacenamiento. Para tiempos mayores de almacenaje se recomienda usar aditivos especiales que lo estabilicen. Se recomienda usar estabilizadores usados  para los aceites vegetales, como la TBHQ ( butil hidroquinona terciaria), que para el biodiesel resulta apropiada.

Se han realizado diversas experiencias con biodiesel en zonas de baja temperatura para ver su comportamiento. Al usar BD20  la mezcla comienza a congelarse entre 1 y 3 ºC por encima del diesel de petroleo. La mayoría de las propiedades del biodiesel son independientes de las materias primas con que se fabrique ( emisiones, potencia etc.), pero las propiedades de  fluidez a  bajas temperaturas dependen de la materia prima utilizada, tanto para el biodiesel puro y en menor medida sus mezclas. El biodiesel fabricado a partir de soja tiene un Punto Nube de  - 5ºC y un punto de fluidez de -8ºC. Los mecanismos usados para minimizar los problemas de las zona frías son los mismos que los usados para el diesel, a saber : a) mezclar con kerosene, b) utilizar un mejorador de fluidez, c) utilizar un filtro de combustible con calentamiento, d)  guardar los vehículos bajo techo.
La mayoría de los vehículos diesel reciclan una cantidad importante de combustible desde el motor al tanque de combustible, lo que sirve para precalentarlo una vez que se produjo el arranque.. El mejor aditivo para tiempo frío que la NBB ha encontrado es el lubrizol, LZ7670.

Se han hecho una gran cantidad de investigaciones sobre las emisiones de varias mezclas de biodiesel con diesel convencional. Los datos provenientes de las pruebas con motores en USA, las pruebas hechas con motores en Brasil por la Volkswagen, como otras pruebas realizadas en Europa, han proveído la información necesaria para comprender los tipos de emisiones al utilizar biodiesel y mezclas del mismo, lo que implica la no necesidad de volver a realizar costosas pruebas con motores. Tal información esta disponible y debería ser aprovechada en Argentina, ya que a todas luces el uso del combustible es totalmente confiable.
En general se puede decir que las emanaciones de los motores diesel varían dentro de los siguientes parámetros : a) composición del combustible, b) diseño del motor, c) ciclo de carga o utilización del motor.
En suma , las  pruebas de emisión son una ciencia exacta y demandan protocolos precisos para proveer resultados correctos y repetibles.
Por ello es difícil, sino incorrecto, elegir una prueba realizada en un motor en particular o protocolo de prueba para representar el uso del biodiesel.
La utilización del BD20 según la Southswest Research  Institute reduce las partículas dañinas en el escape, el humo visible, los hidrocarburos no quemados y  el monóxido de carbono. Las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) permanecen sin ser alteradas.
Además de estas reducciones, el BD20 también reduce la reactividad y el potencial de formación de ozono de algunos hidrocarburos presentes, agregando así un efecto benéfico al medio ambiente.

Las propiedades del combustible utilizado en el instituto son las siguientes :
 
Diesel(2D)
BD20
Número de cetano    40-48        48-52
Azufre (% en peso)  0,3-0,05         0,02-0,03
Oxígeno ( % en peso)    0   2-2,5
Poder Calorífico   (BTU/LB)            18.500         17.900
Viscosidad        2-2,3   3-3,5                    
Densidad ( gr/ml)         0,84-0,865    0,85-0,86

Contacto relacionado al proyecto: Ing. Ibarra Alvarez, Juan Carlos.
E-mail: jcibarra@salta.gov.ar

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