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DESEMPEÑO DE UN MOTOR DIESEL, EN LA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CON MEZCLAS DE BIODIESEL DE DIFERENTES FUENTES VEGETALES

C. A. Ospina, A. F. Rojas* & O. Chaparro Departamento de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira,

Carrera 32 Vía Candelaria, Palmira-Colombia.

* E-mail de correspondencia: [email protected]

Resumen: Actualmente en la era del biodiesel, se presenta un problema ambiental conocido como los monocultivos energéticos, los cuales cambian la biodiversidad y el suelo de una región. A través de este trabajo se busca incentivar los policultivos energéticos, obteniendo un biodiesel de gran calidad, producto de mezclas de biodiesel provenientes de diferentes fuentes vegetales, que cumpla con la reglamentación colombiana vigente y que pueda ser empleado para la generación eléctrica. Se mezclaron biodiesel de higuerilla (H), aceite de fritura usado (AFU) y palma (P), en diferentes proporciones, con diesel (D), en una proporción de 20% de biodiesel y 80% de diesel. Estos biocombustibles se alimentaron a una planta de generación de energía eléctrica, en la cual se evaluó el consumo específico de combustible (CEC) y las emisiones gaseosas, al simular el consumo de energía de una casa a diferentes cargas. Se encontró que el CEC del motor es directamente proporcional a la carga que se le imponga a éste, mientras las emisiones gaseosas dependen del tipo de combustible que se utiliza. También se encontró que el 83% de las mezclas de biodiesel cumplieron con la normatividad colombiana, y que la mezcla D80/P10/AFU10 minimizó el CEC y las emisiones gaseosas.

Palabras claves: aceite de fritura usado, biodiesel, emisiones gaseosas, generación eléctrica, higuerilla, monocultivos energéticos, palma, policultivos energéticos.

Abstract: Today in the biodiesel age, there is an environmental problem, which is known as energetics monocultivation, they change the soil and biodiversity of a region. This work search to encourage the energetics polycultivation, obtaining a high quality biodiesel, which is a product of biodiesel mixtures from different vegetable sources, it complies with Colombian regulations and it can be used for electricity generation. Blends of biodiesel from castor oil (H), used frying oil (AFU) and palm oil (P), in different proportions, with diesel (D) in a ratio of 20% biodiesel and 80% diesel. These biofuels are fed in an electric energy plant generation, it was evaluated the specific fuel consumption (CEC) and gaseous emissions, to simulate the house energy consumption at different loads. It was found that the engine CEC is directly proportional to the load is imposed on him, while the gaseous emissions depend on the fuel type. It was also found that 83% of biodiesel blends complied with Colombian regulations, and the mixture D80/P10/AFU10 minimized the CEC and the gaseous emissions.

Keywords: used frying oil, biodiesel, the gaseous emissions, electric generation, castor and palm oil, energetics monocultivation, energetics polycultivation.

1. INTRODUCCIÓN

El biodiesel es un combustible líquido de origen biológico, proveniente de diferentes fuentes renovables, como por ejemplo aceites vegetales, grasas animales, aceites de fritura usado e incluso de microorganismos fotosintéticos como algas y hongos. El biodiesel es producto de la transesterificación de los aceites y grasas con un alcohol de cadena corta en presencia de un

Memorias del IV Simposio de Química Aplicada – SIQUIA 2009

Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre– Armenia, Colombia 2

catalizador ácido o básico (Zhang et al 2003, Meher et al 2006). La transesterificación también llamada alcoholisis, consiste en tres reacciones consecutivas y reversibles, en la cual los triglicéridos, son convertidos a diglicéridos, monoglicéridos y glicerina, esto por medio de la sustitución de un alcohol por un radical éster. En cada reacción se produce un mol de éster metílico (biodiesel), por lo tanto al final de las tres reacciones se obtienen tres moles de éster metílico y glicerina, a partir de un mol de triglicérido, mezclado con metanol y catalizador (mezcla denomina metóxido) (Conceicão et al 2007). Durante el proceso de transesterificación se produce, glicerol o glicerina, la cual tiene muchas aplicaciones tradicionales en la industria farmacéutica, cosmética; sin embargo, también tiene otras aplicaciones en el ámbito de la alimentación animal, materia prima en fermentaciones, polímeros, surfactantes y lubricantes (Vicente et al 2006).

El biodiesel tiene características ventajosas en relación con los combustibles derivados del petróleo, y puede ser atractiva la condición de ser prácticamente libre de azufre y aromáticos. Se caracteriza por tener un número de cetano alto, contenido medio de oxígeno, mayor punto de ignición, y cuando se quema reduce las emisiones de material particulado, hidrocarburos parcialmente quemados (HC), monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). El biodiesel es no tóxico y biodegradable, pero puede causar un incremento de las emisiones de óxidos de nitrógeno (Alcantara et al 2000, Lin et al 2006). Es obtenido a partir de fuentes renovables, lo que permite que se establezca un ciclo cerrado de carbono que se absorbe cuando la planta crece y se libera cuando se quema en el motor de combustión (Ma & Hanna 1999, Barbosa et al 2008). Por lo tanto, el uso de biodiesel se convierte en un combustible excelente a ser usado en lugares ecológicos y ambientalmente sensibles, como lagos, parques nacionales, etc. (Conceicão et al 2007).

Para que un biocombustible tenga éxito, se debe lograr que los motores no sufran grandes modificaciones ni presenten problemas a largo plazo, y al mismo tiempo, que la potencia y el consumo no se vean muy afectados. La utilización de biodiesel como combustible en vehículos convencionales no requiere ninguna modificación en el motor, excepto modelos anteriores a 1998, año en el que se cambiaron los manguitos de goma (NBR) por un material más resistente (el biodiesel disuelve al NBR) (Herrero & Maiza 2008).

El objetivo de este artículo es obtener un biodiesel de gran calidad, resultado de mezclas de biodiesel de diferentes fuentes vegetales que cumpla con la reglamentación vigente colombiana y que pueda ser utilizado en la generación eléctrica, con el fin de satisfacer la necesidad en zonas aisladas. Además, se busca que esta mezcla minimice el consumo de combustible, y lo más importante, que reduzca los gases de efecto invernadero.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Los biocombustibles utilizados son mezclas de biodiesel provenientes del aceite de Palma (P), aceite de Higuerilla (H) y aceite de fritura usado (AFU). Los biodiesel se mezclaron inicialmente con diesel, al igual que se prepararon mezclas binarias y ternarias de los biodiesel, que posteriormente se mezclaran con diesel, manteniendo una proporción de 20% de biodiesel (mezcla de diferentes biodiesel) y 80% de diesel, con el fin de cumplir con el decreto 2629 de 2007, donde se fomenta el uso de biocombustibles en mezclas con combustibles fósiles. En este decreto se formula que para el año 2012 debe utilizar una mezcla de 20% de biodiesel (B20). El diesel, los biodiesel puros y las mezclas de biocombustibles se caracterizaron respecto a la

“Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible”


viscosidad, índice de acidez, punto de inflamación, cenizas sulfatadas, índice de yodo, poder calorífico inferior y densidad, y se compararon de acuerdo con los criterios dados en las NTC 1438 y NTC 5444. Todos los biocombustibles se sometieron a evaluación en una planta de generación de energía eléctrica a diferentes cargas (carga 0: sin carga eléctrica; carga 1: 10 bombillos de 60 W; carga 2: 10 bombillos y una estufa de una boquilla; carga 3: 10 bombillos, una estufa de una boquilla y un ventilador; y carga 4: 10 bombillos, una estufa, un ventilador y una plancha, ver figura 1).

Figura 1. Sistema de de simulación de una casa

La planta eléctrica de generación de energía eléctrica, de marca KAMA modelo KDE 6500T, esta constituida por un generador acoplado a un motor diesel monocilíndrico, con un sistema de refrigeración por aire y un sistema de inyección directa de combustible. El motor tiene una potencia máxima de 6.3 kW a 3600 rpm y una capacidad en el depósito de combustible de 16L.

Para el análisis de funcionamiento del motor diesel se estableció un consumo de 100 ml, durante el cual se cuantificó el tiempo de consumo y las emisiones gaseosas. También se cuantificaron las revoluciones por minuto del eje central del motor, con un tacómetro digital marca ERASMUS ERC-100; y la intensidad de corriente requerida por cada carga en la planta eléctrica con una pinza amperimétrica marca ERASMUS EPV-32. La cuantificación del consumo específico de combustible (CEC) se determinó mediante las siguiente ecuación:

t*PCC*ρ

CEC mezlca= [Ecuación 1]

Donde: CEC, es el consumo específico de combustible (g/kWh); CC, es el consumo de combustible (100 cm3); ρmezcla, es la densidad de la mezcla a 15°C (g/cm3); P, es potencia del motor (6.3 kW), y t, es el tiempo de consumo (h).

Para la cuantificación de las emisiones gaseosas, se utilizó un analizador Orsat, el cual permite determinar la composición porcentual en volumen en base seca CO2, O2, CO, y de otros gases (Doolitte 1962, Huertas 2008).



3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Caracterización de los biocombustibles

En la tabla 1 se muestra la caracterización físico-química (viscosidad, índice de acidez, punto de inflamación, cenizas sulfatadas, índice de yodo, poder calorífico inferior y densidad) de los biocombustibles utilizados durante el desarrollo del presente trabajo. En esta tabla se observa que tanto el diesel (D100) como el biodiesel de palma (P100) y de AFU (AFU100) cumplen con la normatividad colombiana, mientras que biodiesel del aceite de Higuerilla (H100) no cumple con la normatividad colombiana respeto a la viscosidad cinemática, cenizas sulfatadas, densidad y poder calorífico. Entre los biocombustibles puros, el biodiesel de higuerilla reporta el más bajo poder calorífico, mientras que el biodiesel de palma tiene mayor poder calorífico de los tres.

Tabla 1. Caracterización química de las mezclas de biodiesel.

Combustibles

Viscosidad Cinemática

a 40ºC (Cts.)

Índice de acidez (mg

NaOH/g)

Pto. de Inflamación

(ºC)

Cenizas Sulfatadas (% masa)

Ind. de yodo (gI/100g)

Densidad (g/cm3) a

15°C

Poder Calorífico superior

(Kcal/Kg)Diesel según NTC 1438 1.9-5.0 --- 52 mín. 0.01 máx. --- --- +/- 45000B100 según NTC 5444 1.9-6.0 0.5 máx. 120 mín. 0.02 máx. 120 máx. 0.86-0.90 +/- 39000D100 3.9 0.5 68 >0.01 0.01 0.904 45605.60 P100 4.7 0.2 168 >0.01 12.68 0.911 40095.27 H100 26.1 0.3 270 0.09 6.76 0.985 37823.36 AFU100 6.8 1.6 146 >0.01 17.53 0.933 39990.67 D80/P20 4.0 0.5 69 >0.01 3.58 0.906 44597.26 D80/H20 9.7 0.5 65 0.03 2.76 0.903 44902.69 D80/AFU20 4.4 0.8 73 >0.01 5.90 0.908 45505.18 D80/P10/H10 6.2 0.4 98.2 >0.01 1.95 0.903 44276.34 D80/P10/AFU10 4.3 0.6 85.8 0.01 3.03 0.902 44493.07 D80/H10/AFU10 4.6 0.6 71 >0.01 3.51 0.907 44254.17 D80/P10/H5/AFU5 4.1 0.5 71 >0.01 4.38 0.904 43902.71 D80/H10/P5/AFU5 6.3 0.5 97.1 0.02 1.66 0.908 44271.11 D80/AFU10/P5/H5 5.3 0.6 90.9 0.01 2.73 0.904 44379.49 D80/P6.67/H6.67/AFU6.67 5.3 0.5 93.3 0.02 2.92 0.909 44349.03

Dado que no existe una norma para las mezclas biodiesel/diesel, las mezclas utilizadas se comparan con la norma NTC 5444 y la NTC 1438, encontrándose que cumplen con dichas normas, exceptuando algunas mezclas que contienen higuerilla en una proporción mayor al 6.67%. De igual manera se observa que el biocombustible de mayor poder calorífico es la mezcla D80/AFU20, mientras que la mezcla D80/P10/H5/AFU5 reporta el valor más bajo de poder calorífico. Con respecto a la viscosidad cinemática los biocombustibles que muestra el valor más alto son H100 y D80/H20, mientras que los más bajos son D100 y D80/P20. Se observa que el 64% de lo combustibles utilizados cumplen con el índice de acidez mínimo, lo que indica que no se producirán altos niveles de corrosión en el sistema.

Con respecto al índice de yodo, este es relativamente bajo, lo cual da una idea de que no se oxidarán fácilmente durante su uso ni almacenamiento. La densidad es un poco más alta que la norma, pero este valor es óptimo, ya que un alto valor de esta indica un mayor valor de su poder calorífico y puede generar bajos consumos de combustible en el motor.



3.2. Pruebas de funcionamiento

A continuación se presentan los resultados de consumo específico de combustible, para los combustibles puros, y las mezclas binarias y ternarias de los tres biocombustibles, como se muestra en las Figuras 2, 3 4 y 5. En estas figuras se observa que el consumo específico de combustible (CEC) aumenta al incrementarse la carga eléctrica exigida al generador, lo cual es de esperarse debido a que el motor se exige, para mantener sus revoluciones cercanas a 3600. Durante la evaluación de las diferentes mezclas, se logra observar que la potencia eléctrica exigida al generador es aproximadamente la misma para todos los biocombustibles evaluados en la planta eléctrica, esto se debe a que siempre se trabaja en la misma secuencia de carga de los mismos equipos (10 bombillos, una estufa eléctrica, un ventilador y una plancha) a los que se les suministra la energía generada. A continuación se presenta un análisis de los resultados del efecto del tipo de biocombustible sobre su consumo específico en la planta eléctrica. Para ello los biocombustibles se dividieron en cuatro grupos: i) los biocombustibles puros (petrodiesel, biodiesel de higuerilla, de palma y de aceite de fritura usado); ii) las mezclas de petrodiesel con cada de uno de los biodiesel (D80/P20, D80/H20 y D80/AFU20); iii)las mezclas binarias de biodiesel con petrodiesel (D80/P10/H10, D80/P10/AFU10 y D80/H10/AFU10); y por ultimo iv) las mezclas ternarias de biodiesel con petrodiesel (D80/P10/H5/AFU5, D80/H10/P5/AFU5, D80/AFU10/P5//H5, y D80/P6.67/H6.67/AFU6.67).

3.2.1. Biocombustibles puros Los resultados del funcionamiento de la planta eléctrica empleando los biocombustibles puros se muestran en la figura 2.

Figura 2. CEC de la planta eléctrica con los combustibles puros

En la Figura 2, se observa que el consumo especifico de combustible es diferente para cada uno de los combustible utilizados, de tal manera que el biodiesel de palma es el biocombustible que presenta menor consumo con un promedio de 137.04 g/kWh, mientras que el biodiesel de higuerilla es el de mayor CEC con un valor promedio de 173.44 g/kWh, lo cual posiblemente se debe a su alta viscosidad y bajo poder calorífico. Además, como era de esperarse, se observa el aumento en el CEC a medida que se aumenta la carga en la planta eléctrica. Durante las pruebas a



carga 0, los valores de CEC no difieren entre los combustibles usados, esto se debe posiblemente a que la planta no se exige mucho, por tanto las propiedades físicas de lo combustibles no son completamente aprovechadas, como ocurre con la carga 2, en la cual el uso de la estufa genera un alto CEC, en la que se evidencia valores similares a la carga 4. Por otro lado, se espera que durante la prueba con carga 4, el CEC sea mucho mayor que en las otras cargas, debido a la presencia de la plancha. Sin embargo, este incremento en el CEC posiblemente no se aprecie debido a que la plancha eléctrica tiene un termostato en su interior, que se dispara cuando alcanza una determinada temperatura, de tal manera que regula el consumo de energía.

3.2.2. Mezclas de diesel con un biodiesel Los resultados del funcionamiento de la planta eléctrica para los biocombustibles que resultan de mezclar cada uno de los biodiesel con petrodiesel se muestran en la Figura 3. Se observa que la mezcla D80/AFU20, es la que reporta un aumento considerable en el CEC con un valor promedio de CEC de 143.05 g/kWh, mientras que la mezcla D80/H20, muestra el menor CEC de las tres mezclas, con un valor promedio de 96,105 g/kWh.

Figura 3. CEC de la planta eléctrica con las mezclas diesel y un biodiesel al 20%

3.2.3. Mezclas de diesel con dos biocombustibles al 10% cada uno En la Figura 4, se presentan los resultados de funcionamiento de la planta eléctrica cuando se utiliza como combustible, mezclas binarias de biocombustibles (con una concentración del 10% v/v cada uno) con petrodiesel.

En la figura 4, se muestra la influencia de cada una de estas tres mezclas sobre el CEC, encontrándose un comportamiento similar entre las mezclas. Sin embargo, el menor CEC se reporta en la mezcla D80/P10/AFU10 con un promedio de 125.69 g/kWh, mientras que se observa un incremento en el CEC por parte de la mezcla D80/H10/AFU10 con un promedio de 132.45 g/kWh. Esto posiblemente se debe a la presencia de una proporción considerable de biodiesel de higuerilla en la mezcla, dado que es el biodiesel que reporta el menor poder calorífico de los tres biocombustibles puros.



Figura 4. CEC de la planta eléctrica con los mezclas de dos biocombustibles al 10%

3.2.4. Mezclas de diesel con un biocombustible al 10% y dos al 5% La Figura 5, se observa la influencia de las mezclas ternarias de biodiesel (un biodiesel al 10% y dos al 5% v/v) y petrodiesel sobre el funcionamiento de la planta de generación de eléctrica.

Figura 5. CEC de la planta eléctrica con los mezclas de un biodiesel al 10% y dos al 5%

En esta figura es notoria la disminución del consumo específico de combustible dado por la mezcla D80/P10/H5/AFU5 con un promedio de 131.17 g/kWh, y el aumento se da por parte de la mezcla D80/AFU10/P5/H5 con un promedio de 147 g/kWh.

En términos generales, se observa que con el empleo de biodiesel proveniente de diferentes fuentes vegetales diferentes a la palma y la mezcla de estas con diesel, se obtienen reducciones en el consumo específico de combustible, y se observa que los menores consumos se reportaron en las D80/H20 y D80/P10/AFU10.



3.3. Emisiones gaseosas

Los resultados del análisis de gases de combustión en la planta eléctrica para las diferentes mezclas de biocombustibles evaluadas, se presentan en las Figuras 6, 7, 8 y 9. Este análisis se presenta para los mismos 4 grupos dados en el numeral anterior: i) biocombustibles puros; ii) mezclas de petrodiesel con cada de uno de los biodiesel; iii) mezclas binarias de biodiesel con petrodiesel; y por ultimo iv) mezclas ternarias de biodiesel con petrodiesel.

3.3.1. Combustibles puros Los resultados de las emisiones gaseosas de la planta de generación de energía utilizando los combustibles puros, se presentan en la Figura 6.

Figura 6. Emisiones gaseosas combustibles puros

Aquí se observa una gran producción CO (a la derecha), por parte del diesel de petróleo (D100), mientras que con los biodiesel puros, se observa una disminución considerable con respecto al diesel de petróleo puro. También que se producen altos porcentajes de CO2 (a la izquierda), lo que hace atractivo el uso de biocombustibles, con lo que se puede llegar a concluir que la utilización de biocombustibles en motores diesel, mejora considerablemente la combustión interna del motor.

3.3.2. Mezclas de diesel y un biocombustible En la Figura 7 se presentan los resultados de las emisiones gaseosas de la planta eléctrica utilizando mezclas de biodiesel con petrodiesel (B20).

Se observa, que se obtiene una mejor combustión con la mezcla de 80% de diesel y 20% de biodiesel proveniente de palma (D80/P20), ya que la producción de CO durante la combustión es baja, lo que indica una combustión parcialmente completa. También es evidente la baja producción de CO2 por parte de esta mezcla. La mezcla que contiene 80% de diesel y 20% de biodiesel proveniente de higuerilla (D80/H20), presentó la más alta producción de CO, por lo tanto la combustión de esta mezcla es incompleta.



Figura 7. Emisiones gaseosas de los biocombustibles al 20%.

3.3.3. Mezclas de diesel con dos biocombustibles al 10% cada uno La Figura 8, muestra los resultados del análisis de gases emitidos por la planta de generación de energía eléctrica para mezclas binarias de biodiesel de palma, higuerilla y aceite de fritura usado al 10% cada uno, con Diesel al 80%.

Figura 8. Emisiones gaseosas de dos biocombustibles al 10%

En la figura 8, se observa una baja combustión por parte de la mezcla que contiene higuerilla y aceite de fritura usado, ya que la producción de CO es relativamente alta con respecto a las mezclas que contienen biodiesel de palma; mientras que la mezcla que contiene higuerilla y palma reporta el más bajo porcentaje de CO emitido, aunque con una producción intermedia de CO2.



3.3.4. Mezclas de diesel con un biocombustible al 10% y dos al 5% La Figura 9, presenta los resultados de las emisiones gaseosas de la planta de generación de energía eléctrica para mezclas ternarias de biodiesel de palma, higuerilla y aceite de fritura usado al 10% uno de ellos, y 5% las otras dos biocombustibles, con petrodiesel al 80%.

Figura 9. Emisiones Gaseosas mezclas de un biocombustible al 10% y dos al 5%

En la Figura 9, se observa una gran disminución de las emisiones gaseosas de CO y CO2 en las mezclas evaluadas de este grupo en comparación con las mezclas evaluadas anteriormente. Esto indica que la combustión interna del motor es incompleta con este tipo de mezclas.

Cabe anotar, que durante el análisis Orsat, se determina la proporción de otro tipo de gases, esta se realiza por diferencia, ya que la proporción de gases como CO2, O2 y CO, representa una proporción muy pequeña de los gases generados durante una combustión. Cuando la composición de éste tipo de gases se hace mayor, las emisiones de CO2 y CO, es baja, por lo tanto en las mezclas que ocurrió esto, se pueden encontrar hidrocarburos parcialmente inquemados, NOx y otro tipo de gases que no logran quemarse. Además, se observa que las emisiones gaseosas, son independientes de la carga, ya que éstas mostraron una tendencia similar a lo largo de la investigación.

4. CONCLUSIONES

El uso de biocombustibles como el biodiesel en motores de combustión interna, constituye una buena alternativa para satisfacer la demanda de combustible, debido a la escasez del petróleo y sus derivados; y reducir la contaminación generada por el uso de los combustibles fósiles.

El consumo específico de combustible de un motor es directamente proporcional a la carga eléctrica que se le exige a éste. Por otro lado la combustión interna del motor es independiente de la carga eléctrica impuesta a la planta, ya que la combustión depende del tipo de combustible utilizado.

El 83% de las mezclas de combustibles utilizados, cumplieron las normas colombianas vigentes para el diesel y el biodiesel.



Se comprobó que el mejor biodiesel es el proveniente de la palma, ya que este minimiza las emisiones gaseosas, aunque el uso de H100 también minimiza en altos porcentajes las emisiones de CO2 y CO. Pero las mezclas D80/P10/AFU10 y D80/AFU10/P5/H5 fueron las mezclas que logran aumentar la producción de CO2 y disminuir la producción de CO.

La mezcla de combustibles que mejor comportamiento mostró con respecto a la reducción del consumo específico de combustible y emisiones gaseosas, fue la mezcla D80/P10/AFU10, que representa un gran atractivo para su utilización, ya que el aceite de fritura usado es un residuo que puede ser reutilizado. Con esta mezcla se logra minimizar el impacto ambiental con respecto al monocultivo energético, ya que se cultivarían menos hectáreas de palma, para cubrir la demanda de biocombustibles.

5. REFERENCIAS

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6. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la oficina de investigación de la Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira – DIPAL, por financiar el proyecto y a todas aquellas personas participaron de una manera u otra a lo largo de la investigación.

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