PROYECTO EMPLEO DE BIOCOMBUSTIBLES COMO FUENTE DE

EMPLEO DE BIOCOMBUSTIBLES COMO FUENTE DE ENERGIA CALORIFICA EN
EL PERU
Deudor Malpazo, Yhon - Marcos Huatuco, Rubén – Sivipaucar Gómez, Clodoaldo - Olivera Macedo, Lorena
Nykue Antonio Gamboa Alarcón - Andrés Valderrama Romero
Ingeniería Mecánica de Fluidos- Facultad de Ciencias Físicas - Universidad- Nacional Mayor de San Marcos
Ciudad Universitaria cuadra 27 S/N Lima 1; [email protected]
RESUMEN
La oferta de petróleo ha iniciado hace ya algunos años su curva descendente, debido a muchos factores, entre los
principales, factores geopolíticos y tecnológicos, mientras la demanda sigue en crecimiento; lo que origina que el precio
de los derivados del petróleo en el mercado irá incrementándose. Asimismo, están las justificadas normas medio
ambientales, que cada vez exigen menores contenidos de elementos nocivos en los gases de la combustión cuando se
queman los derivados del petróleo. El presente proyecto de investigación muestra la viabilidad de promoción,
producción y aplicación de biodiesel en nuestro país a partir de plantas oleaginosas, que ayudará a solucionar parte del
problema energético, ambiental y económico e impulsará la agricultura a través del incremento de la eficiencia de la
producción, utilizando aquellas tierras agrícolas, que por razones de mercado, están asiendo abandonadas por los
agricultores y además generará nuevas fuentes de trabajo. En este trabajo presentamos un estudio energético –
económico del biodiesel, así como también, la elaboración de biodiesel a partir de plantas oleaginosas como la soya,
(Cajamarca, Ayacucho) palma aceitera, aguaje, que se producen en algunos distritos, provincias y departamentos de
nuestra amazonía como Loreto, Madre de Dios, Cajamarca, así también a partir de aguaje, palma aceitera y sacha inchi
en parte de Ayacucho. Para demostrar que este producto puede reemplazar al diesel en cualquiera de sus aplicaciones
hemos elaborado el biodiesel y probado su comportamiento al usarlo en diferentes mezclas con kerosene y con biodiesel
solo, en el quemador de una cocina a gas de kerosene.
INTRODUCCIÓN
El biodiesel es un combustible de origen vegetal que
puede reemplazar al combustible diesel en diversas
aplicaciones, para cada aplicación existe una mezcla
óptima que debe ser obtenida experimentalmente. El
presente proyecto de investigación muestra la
viabilidad de aplicación de los biocombustibles como
una nueva alternativa a solucionar parte del problema
energético ambiental y económico en el Perú; se
presenta la posibilidad de uso de biocombustibles en la
obtención de energía calorífica en el Perú.
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
Esta investigación tiene como finalidad probar la
eficiencia del biocombustible como energía calorífica,
quemándose o combustionándose en quemadores de
cocinas a gas de kerosene, ejecutándose las etapas
siguiente:
Etapa 1. Elaboración del biocombustible:
- a partir de aceite de soya
- a partir de aceite reciclable del comedor de la Ciudad
Universitaria de San Marcos
- a partir de aceite de colza
Etapa 2.
Ensayos de las características de los
biocombustibles en cocinas a gas de kerosene
- Análisis de la viscosidad
- Obtención del punto de inflamación
- Ensayos de quemado de los biocombustibles
en una cocina de kerosene.
Etapa 3. Análisis del proceso de quemado de los
biocombustibles y su costo
- Análisis de las características de la llama
- Análisis de la formación de los componentes
de material partículado, hollín y CO.
-
Análisis del costo de quemado de
bicombustible en comparación al quemado de
kerosene
OBJETIVOS
1- Objetivos Generales:
• Oportunidad para el país para reducir la
contaminación ambiental
• Promover la agricultura y la agroindustria
• Generas nuevas inversiones y fuentes de
trabajo
• Promover cultivos alternativos rentables
• Nueva fuente de energía en el Perú
• Fuente de energía económica y ecológica
• Generar recursos en las zonas donde el frió y
la humedad impida el cultivo
• Incentivar el cultivo en Puno, Juliaca, Junín,
Huancavelica y otros departamentos del Perú
2- Objetivos específicos:
Aplicación del biodiesel en los quemadores
convencionales de baja presión ubicados en
cocinas, pudiendo emplearse también en
quemadores industriales que poseen los calderos
ubicadas en las industrias, reemplazando de esta
manera los combustibles tradicionales y el gas.
FUNDAMENTO TEORICO
Los biocombustibles:
son combustibles de origen
biológico obtenidos a partir de restos orgánicos de
materiales renovables como las plantas, se cree pueden
sustituir a los combustibles fósiles más tradicionales,
en virtud de su bajo o nulo deterioro ambiental y sus
características de renovación. Entre los
biocombustibles podemos incluir el bioetanol, el
biodiesel, biometanol, entre otros. Los dos productos
1
más desarrollados y empleados de los biocombustibles
son el bioetanol y el biodiesel.
- El bioetanol, o etanol de biomasa:
puede ser
obtenido de maíz (EEUU), de caña de azúcar (Brasil) o
remolacha (Chile) por medio de procesos de
fermentación enzimáticos de sus azúcares. Dado que la
composición de la celulosa es muy rica en azúcar,
resultaría muy útil producir alcoholes a partir de la
fermentación de celulosa, principal componente
estructural de los materiales vegetales.
- El biodiesel: se fabrica a partir de aceites vegetales,
el método más habitual es la transformación de estos
aceites vegetales a través de un proceso de
combinación con alcohol metílico e hidróxido sódico,
produciéndose un compuesto que se puede utilizar
directamente en un quemador o en un motor diesel sin
modificar, obteniéndose glicerina como subproducto.
La glicerina puede utilizarse en otras industrias como
la farmacéutica, de detergentes, etc.
Características y Ventajas del biodiesel:
- Reduce las emisiones de monóxido de carbono (CO)
y material particulado en comparación con el diesel.
- No produce emisión de óxidos de azufre (SO2
+SO3) porque el biodiesel no contiene azufre.
- Reduce en un 90% la cantidad de hidrocarburos
totales no quemados.
- El Biodiesel no contiene productos orgánicos
aromáticos (benceno y derivados) son sustancia
cancerigenas.
- El biodiesel recicla el CO2 de la atmósfera a través
del proceso de fotosíntesis de la atmósfera,
contribuyendo a detener el efecto invernadero que
genera la combustión de combustibles fósiles.
- Al tener un punto de inflamación superior al diesel,
kerosene, su transporte es mas seguro.
- No contamina los suelos y aguas subterráneas en
caso de un derrame accidental.
- Es biodegradable y en 28 días desaparece todo rastro
de contaminación en caso de derrame.
Factibilidad del uso:
- El biodiesel puede utilizarse de todas las
prestaciones y de forma idéntica que el diesel Oil,
kerosene, ya sea puro (al 100%) o mezclado con
éste.
- Aplicando tanto a motores de combustión interna:
turbinas a gas etc. Como en sistemas de combustión
abierta: hornos, cocinas, calderos, secadores, otros
equipos térmicos.
Demanda de biodiesel (DGH-MEN):
Año
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Dem. 2010
(103 bb/año)
Demanda
Diesel
56.2
56.7
58.5
59.6
64.9
68.2
72.7
71.7
74.4
77.2
28163
Demanda ajustada
Diesel Oil
47.7
48.2
49.9
51.1
56.4
59.6
64.2
63.2
65.9
68.6
25054
5% Vol. de
Biodiesel
2.38
2.41
2.50
2.55
2.82
2.98
3.21
3.16
3.30
3.43
1253
Tabla 1: Demanda de biodiesel
Materia prima:
Las materias primas que se pueden emplear en la
obtención de biodiesel son muy variadas y pueden
clasificarse en:
a. Aceites vegetales:
- Aceites de semillas oleaginosas: girasol,
colza,
soja y coco.
- Aceites de frutos oleaginosos: palma.
- Aceites de semillas oleaginosas alternativas:
Brassica carinata, Camelina sativa, Pogianus
- Aceites de semillas oleaginosas modificadas
genéticamente: Aceite de girasol de alto oleico.
- Aceites vegetales de final de campaña: Aceite de
oliva de alta acidez.
b. Aceites de fritura usados.
- Grasas animales: sebo de distintas calidades.
DESCRIPCIÓN DE LOS BIOCOMBUSTIBLES
1. La Colza: (Brassica napus), es una oleaginosa muy
difundida en el mundo, que produce aceite comestible
de excelente calidad, cuyo principal productor es la
Unión Europea con 10,5 millones de toneladas.
Figura 1: La colza
2. Aceite reciclado: una ventaja de recoger aceite
usado y utilizarlo como combustible, es evitar que el
aceite de cocina ya usado se vierta a las cañerías o se
tire a la basura.
Figura 2: Aceite reciclado
3. Aceite de soya: la Soya forma parte del 75% de los
vegetales grasos y aceites que se consumen. El aceite
vegetal es generalmente el que es realizado 100% de
soya, o una combinación de aceite de soya y otros
aceites
2
En Francia
Mezclan 5% de aceite vegetal en el diesel directamente
en los centros de producción del diesel y aunque el
Figura 3: Aceite de soya
- Reacción Química:
R-COOCH2
CH2-OH
Catalizador
R-COOCH
+
3CH3OH
3RCOOCH3
+ CH-OH
R-COOH2
CH2-OH
Triglicérido
Glicerina
metanol
metilester
R= radical alquilo
REACCION QUIMICA que se produce
TRIGLISERIDO
R-C OO
CH2
METIELESTER
BIODISEL
METANOL
CH3
OH
GLICERINA
consumidor no nota las ventajas del nuevo producto,
ésta estrategia evita la construcción separada de
infraestructura costosa y así, grandes volúmenes
pueden introducirse en el mercado. Las compañías
líderes son: Elf, Shell y Total.
Tabla 2: Comparación con los combustibles
Tabla 3. Producción de biodiesel en el mundo
EXPERIENCIAS EN OTROS PAÍSES
En Europa:
Aunque el biodiesel es ligeramente más barato que el
diesel convencional en la estación de servicio, los
agricultores que cultivan la colza reciben un subsidio
de la Unión Europea. El biodiesel (más
específicamente el rapeseed methyl ester o RME) es
considerado como una opción obvia para la
diversificación del combustible del sector transporte
debido a las siguientes ventajas:
- El uso inmediato en cualquier motor diesel,
generando un acceso rápido al mercado.
- El biodiesel es totalmente compatible con los
sistemas de distribución del diesel.
- Ofrece un balance energético favorable.
- Por su alto contenido de oxígeno, disminuye
significativamente las emisiones de contaminantes a
la atmósfera.
- Es un producto no - tóxico y biodegradable.
En Italia:
Que es uno de los países con más altos impuestos en
combustibles, el biodiesel está libre de impuestos como
paso lógico para penetrar más fácil al mercado.
En Estados Unidos
Mezclan el 20% de metilester de soya con Diesel fósil,
principalmente por razones de precio. La mezcla 80/20,
junto con el uso de convertidores catalíticos, ha
recibido recientemente certificación de la EPA para el
programa de Buses Urbanos.
En Alemania y Austria
Dados los grandes beneficios del diesel, éste se
comercializa puro, destacándose su sensibilidad
ambiental protegiendo lagos, aguas subterráneas,
bosques, etc. y menos contaminación, smog, etc. de
taxis y buses en ciudades.
En Canadá
Las materias primas más utilizadas para la producción
de Biodiesel son soya, colza y canola o rapeseed (una
planta forrajera cuyas semillas proporcionan hasta 45%
de aceite).
FORMULACION DE HIPOTESIS
- Realizar el estudio de las características del biodiesel
en comparación con el kerosene
- Estudiar el comportamiento del biodiesel y sus
diferentes mezclas en quemadores de uso doméstico.
- Inferir el comportamiento del proceso de combustión
calderos y hornos industriales.
Sustancia
Densidad
Kg/l
Componentes
Principales
% en peso
Temperatura
ebullición
°C
Calor
especif.
Evapora
c
Kj/kg1)
Potencia
Calorífic
a
Espec
MJ/Kg1)
Querosene
Combustib
le Diesel
Petróleo
0,77…..0,83
0,815…0,85
5
0,70…1.0
87 C, 13H
86C, 13H
170….260
180….360
250
43
42,5
80…83C
25…360
222..352
Etanol
C2H5OH
Metanol
0,79
52C,13H,35O
78
904
39,8…46,
1
26,8
0,79
38C,12H,50O
65
1110
3 19,7
ANALISIS DE RESULTADOS
1. LONGITUD DE LA LLAMA EN QUEMADORES DOMÉSTICOS TRABAJANDO CON
MECLAS DE DIESEL2 Y BIODIESEL
1.1. Longitud de la flama de las mezclas de diesel 2 con aceite de soya
Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de 8 PSI hasta 32 PSI, la longitud de la
flama se incrementa; asimismo, se incrementa la longitud de la flama cuando se incrementa el porcentaje en
volumen de soya en la mezcla.
L(cm)
DIESEL 2 + SOYA
7
6
5
4
3
2
1
0
D2 +
0%
32 PSI
24 PSI
16 PSI
8 PSI
D2 +
5%
D2 +
10%
D2 +
20%
D2 +
30%
D2 +
40%
D2 +
50%
% BIODIESEL
Fig. 1. Variación de la longitud del dardo pulverizado en función del porcentaje de soya en la mezcla
Se debe señalar que la longitud límite de la longitud de la flama dependerá de la distancia de diseño entre la
flama y la base de la parrilla de la cocina, en este caso es de 5,0 cm. Y cuando excede de esta longitud la
flama produce calentamiento del tanque que almacena la mezcla y rebota en la base de la superficie que
recibe la energía calorífica producida. La flama al aumentar la concentración se torna más amarilla y
aumenta la concentración de hollín y de obstrucción de grasas quemadas en el agujero del pulverizador.
1.2. Longitud de la flama de las mezclas de diesel 2 con aceite de girasol
Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de 8 PSI hasta 32 PSI, la longitud de la
flama se incrementa; asimismo, se incrementa la longitud de la flama cuando se incrementa el porcentaje en
volumen de girasol en la mezcla.
L (cm)
DIESEL 2 + GIRASOL
8
7
6
5
4
3
2
1
0
D2 + 0% D2 + 5%
32 PSI
24 PSI
16 PSI
8 PSI
D2 +
10%
D2 +
20%
D2 +
30%
D2 +
40%
D2 +
50%
% BIODIESEL
Fig. 2. Variación de la longitud del dardo pulverizado en función de la mezcla de diesel 2 con aceite
de girasol.
4
Se debe señalar que la longitud límite de la longitud de la flama dependerá de la distancia de diseño entre la
flama y la base de la parrilla de la cocina, en este caso es de 5,0 cm. Y cuando se excede de esta longitud la
flama produce calentamiento del tanque que almacena la mezcla y rebota en la base de la superficie que
recibe la energía calorífica produciendo el incremento de la presión de la mezcla en el tanque, cambia el
color de la flama de azulada naranja a amarilla, se incrementa la intensidad térmica por unidad de área.
1.
TIEMPO EMPLEADO PARA HERVIR 1 LITRO DE AGUA CON LOS QUEMADORES
DOMÉSTICOS CON MEZCLAS DE DIESEL 2 Y BIODIESEL
2.1. Tiempo para hervir 1 litro de agua con mezclas de diesel 2 con aceite de soya
Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de la mezcla disminuye el tiempo para
hervir 1 litro de agua; esto se debe a que la flama incrementa su longitud, incrementa la intensidad térmica
sobre la superficie de aprovechamiento de calor. Asimismo se observa tres zonas:
DIESEL 2 + SOYA
10:48
09:36
t(min)
08:24
07:12
32 PSI
06:00
24 PSI
04:48
16 PSI
03:36
8 PSI
02:24
01:12
00:00
D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 40% D2 + 50%
% BIODIESEL
Fig. 3. Variación del tiempo que demora para hervir 1 litro de agua con las mezclas de diesel 2 y aceite de
soya.
Zona 1.- El tiempo para hervir cuando el porcentaje es menor del 10% de soya en volumen se incrementa
lentamente, esto se debe a que los componentes oleicos originan una tensión superficial que empeora la
formación de la mezcla.
Zona 2.- El tiempo disminuye lentamente cuando el porcentaje es de 20% de soya en volumen en la mezcla,
siendo la formación de la mezcla y la flama óptima
Zona 3.- El tiempo se incrementa cuando se incrementa el porcentaje sobre el 20% de soya, es decir, el 30%,
40% y 50%; viéndose que se incrementa notoriamente la longitud de la flama, trasladando parte del calor de
esta hacia el tanque que contienen la mezcla, haciendo que lentamente se incremente la presión en su
interior.
2.2.. Tiempo para hervir 1 litro de agua con mezclas de diesel 2 con aceite de girasol
Se aprecia que la formación de la flama se organiza de mejor manera lográndose que el tiempo se incremente
al disminuir la presión de pulverización de la mezcla; asimismo, si se incrementa el porcentaje en volumen
de aceite de girasol en volumen en la mezcla, el tiempo para hervir 1 litro de agua disminuye, siendo el
factor limitante la longitud del dardo de mezcla pulverizada, que debe ser controlada.
5
DIESEL 2 + GIRASOL
14:24
t(min)
12:00
32 PSI
09:36
24 PSI
07:12
16 PSI
04:48
8 PSI
02:24
00:00
D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 40% D2 + 50%
% BIODIESEL
Fig. 4. Variación del tiempo para hervir 1 litro de agua en función del porcentaje de aceite de girasol en la
mezcla.
CONCLUSIONES
1.- De acuerdo a la formación de la mezcla, forma de
la flama, longitud de la flama y tiempo que
demora para hervir 1 litro de agua el porcentaje
óptimo de aceite de soya en mezcla con el
petróleo diesel 2 es de 20% en volumen.
2.- De acuerdo a los resultados obtenidos se
demuestra que la presión óptima que debe
mantenerse en el tanque de mezcal para ambas
mezclas es de 24 PSI.
3.- La longitud del dardo para 24 PSI para la mezcla
de diesel 2 con 20% de aceite de soya es de cm.
y la longitud del dardo para 24 PSI para la mezcla
de diesel 2 con 20% de aceite de girasol es de
cm.
4.- Emplear una excesiva presión de pulverización en
ambas mezclas por encima de 24 PSI, produce la
aparición de hollín y residuos grasoso quemados
en el agujero de la salida del pulverizador.
RECOMENDACIONES
1. Se debe encontrar los parámetros de diseño para
la fabricación de una cocina que emplee mezclas
de petróleo diesel 2 con aceite de soya y aceite de
girasol.
2. Toda cocina con quemador que trabaje con
presiones superiores a 1 bar (14,7 PSI), debe
emplear manómetro instalado en el tanque de
mezcla.
BIBLIOGRAFIA
4. Perry, Jhon; “Manual de Ingeniero Químico”,
editorial Mc Graw Hill, México 1992
5. http://www.inversiones.gov.ar/
6.|www.bcr.com.ar
7.www.ecopetrol.gov.co
8.CORPODIB. Proyecto para la producción de
biodiesel a partir de palma africana en Colombia
9.www.itdg.org.pe
10.http://www.minag.gob.pe ministerio de agricultura
11.www.concytec.gob.pe
12.www.conam.gob.pe/documentos N_biocombustible
13.Publicación: Revista Institucional de la agencia
Agraria Leoncio Prado/Tingo María/Huánuco: La
Palma Aceitera como Alternativa Económica para la
Amazonía. 15/12/1999. Perfiles entregados a
DEVIDA, Ministro de Agricultura. Julio del 2002 y
Comisión Binacional Perú – Ecuador por IGEPMA.
ANEXO:
SOYA
Analisis de resultados de P=32 PSI
D2 + 0%
D2 + 5%
D2 + 10%
D2 + 20%
D2 + 30%
D2 + 50%
T hervir un
litro de agua
2
3
525
930
890
744
810
785
730
977
970
981
880
928
830
1020
1010
1041
950
1070
4,40
4,70
5,00
5,20
6,50
7,50
4:00
4:25
4:50
5:15
4:35
4:34
T hervir un
litro de agua
5:08
5:16
5:40
5:48
Analisis de resultados de P=24 PSI
1.-Van Wylen, G. & Soontag, R.; “Fundamentos de
Termodinámica”; editorial Limusa, México 1990.
2. Postigo, J; Cruz, J; “Termodinámica Aplicada”;
editorial UNI , Lima1985.
3.Marks; “Manual del Ingeniero Mecánico”, editorial
Mc Graw Hill, México 1988
1
L
Flama
cm
T Flama
T Flama
D2 + 0%
D2 + 5%
D2 + 10%
D2 + 20%
1
2
3
L
Flama
cm
650
880
870
770
950
921
970
880
950
1010
1012
1000
3,50
4,10
3,80
4,30
6
D2 + 30%
660 870 895
D2 + 50%
740 860 970
Analisis de resultados de P=16 PSI
3,90
4,90
6:35
6:55
T hervir un
litro de agua
Analisis de resultados de P=8PSI
1
2
3
L
Flama
cm
452
890
690
770
650
610
690
980
920
840
845
840
880
1050
985
860
885
950
2,40
2,90
3,50
3,30
2,45
4,00
6:05
6:20
7:13
7:37
7:40
7:30
T hervir un
litro de agua
7:13
7:40
9:08
9:12
9:57
9:42
T Flama
D2 + 0%
D2 + 5%
D2 + 10%
D2 + 20%
D2 + 30%
D2 + 50%
1
2
3
L
Flama
cm
525
630
740
720
613
490
750
840
880
810
830
780
830
950
960
930
868
868
4,40
2,75
3,50
3,30
2,45
4,00
T Flama
D2 + 0%
D2 + 5%
D2 + 10%
D2 + 20%
D2 + 30%
D2 + 50%
T hervir un
litro de agua
4:00
11:40
8:56
7:25
7:55
9:00
Analisis de resultados de P=8PSI
T Flama
D2 + 0%
D2 + 5%
D2 + 10%
D2 + 20%
D2 + 30%
D2 + 50%
1
2
3
L
Flama
cm
350
380
620
717
623
520
730
450
828
813
830
837
846
490
963
877
880
897
2,00
2,20
3,50
3,00
1,90
3,20
GIRASOL
Análisis de resultados de P =32 PSI
T Flama
D2 + 0%
D2 + 5%
D2 + 10%
D2 + 20%
D2 + 30%
D2 + 50%
1
2
3
L
Flama
cm
525
850
850
845
650
7840
750
960
928
955
940
880
830
1040
1028
1028
975
933
4,40
5,25
5,30
5,50
5,95
4,95
T hervir un
litro de agua
4:00
4:55
5:06
4:57
5:15
5:36
Análisis de resultados de P=24 PSI
T Flama
D2 + 0%
D2 + 5%
D2 + 10%
D2 + 20%
D2 + 30%
D2 + 50%
1
2
3
L
Flama
cm
T hervir un
litro de agua
525
760
810
870
675
670
750
886
940
975
830
870
830
997
990
1000
960
900
4,40
4,30
4,60
5,20
5,20
3,90
4:00
6:14
5:36
6:16
6:50
7:25
Analisis de resultados de P=16 PSI
T Flama
D2 + 0%
D2 + 5%
D2 + 10%
D2 + 20%
D2 + 30%
D2 + 50%
1
2
3
L
Flama
cm
T hervir un
litro de agua
525
670
690
770
650
610
750
870
920
840
845
840
830
940
985
860
885
950
4,40
3,85
4,30
4,60
4,95
3,40
4:00
7:24
6:50
6:35
6:35
8:30
7