Biocarburantes

1 '
LUIS MÁRQUEZ, Dr. Ing. Agrónomo
BI
Rsur^^MEs
La publicación, el pasado 30 de
diciembre, del `Plan de fomento de
energías renovables', aprobado por
el Consejo de Ministros, ha vuelto a
poner de actualidad el empleo de la
`biomasa' para cubrir una parte
importante de las necesidades
energéticas del conjunto de los
países de la Unión Europea.
^
n este Plan de Fomento se desarrolla el Libro Blanco sobre
las Energías Renovables publicado por la Unión Europea, que reconoce la urgente necesidad de abordar el problema del cambio climático
mediante la reducción del 15% de las
emisiones de gases causantes del efecto invernadero en los países desarroIlados, tomando como objetivo el año
2010, respecto a 1990, y el papel que
pueden desarrollar las energías renovables para conseguirlo.
® agrOtécnica
Por el momento, la contribución
de las fuentes de energía renovables al
balance energético de la Unión Europea es muy escaso para el potencial
técnico disponible, aunque se detecta
que determinadas energías renovables
necesitan poco esfuerzo para llegar a
ser competitivas.
Entre las diferentes acciones que
se vienen realizando para divulgar las
posibilidades de estas energías renovables, merece la pena destacar el
Encuentro sobre `Aprovechamiento
Energético de la Biomasa', celebrado
durante los días ] 0 al 12 de abril en la
sede de Sevilla de la Universidad Internacional Menéndez Pelayo.
Durante este Encuentro, numerosos especialistas debatieron las posibilidades de los sistemas agrícolas europeos para suministrar combustibles,
analizando desde diferentes puntos de
vista la evolución esperada en los próximos años. Algunas de las ideas presentadas en este Encuentro se recogen
a continuación.
nnAYO zooo
LA BIOMASA CQMO
' F U ENTE ENERGETI CA
DEL S IGLO XX
Tomando como punto de partida
el origen solar de las energías renovables, el Prof. Jesús Fernández, de la
Universidad Politécnica de Madrid,
puso de manifiesto que una hectárea
de maíz produce 20 toneladas de materia seca por año, lo que equivale,
desde el punto de vista energético, a
3.35 x]0" julios/año, aunque sólo logre un rendimiento energético del
0.54°Io de la energía yue recibe del
sol.
Sobre la base de los datos de consumo energético correspondientes a
1992, se deduce que la relación de la
producci<ín anual de la biosfera es
7.55 veces el consumo energético
mundial, consumo que corresponde al
petróleo en un 34.1%.
Muchos han sido los combustibles
que se han tenido que utilizar, a lo largo de los años, para hacer funcionar
los motores de combustión interna,
yue son la base de la industria de la
automoción, especialmente en periodos de escasez como consecuencia de
los bloqueos derivados de las grandes
contiendas mundiales.
Ya están olvidados los tiempos de)
gasógeno, pero de vez en cuando aparecen referencias sobre las posibilidades del hidrógeno como combustible,
aunque sea como alternativa a largo
plazo.
No siempre se recuerda que cuando aparece el motor de ciclo Otto, su
inventor lo diseña pensando en el alcohol, y, años después, Diesel considera como ventaja de sus motores de
Mnro 200o
< < Con el diseño
original de los
motores de
combustión internos
estuvieron presentes
los combustibles de
origen vegetal7 ^
encendido por compresión, la circunstancia de ser adecuados para cualquier
tipo de combustible.
Los tiempos fueron cambiando, y
con el petróleo barato los motores se
optimizan para funcionar con sus derivados, sin pensar en lo que podrían
ofrecer las energías renovables. Ahora
se mira de nuevo a los alcoholes y los
ac^ites de origen vegetal, al menos
cómo complemento de los combustibles de origen fósil, por las ventajas
que pueden aportar desde el punto de
vista ambiental, sin olvidar que cuando se trata de producir directamente
calor la energía que suministra la biomasa sólida es en todo equivalente a
la que se obtiene quemando petróleo
o carbcín.
BIOCARBURANTES EN
^ AUTOMOCION
EI segundo día del Encuentro, cl
Sr. Tinaut, del Centro de Investigación y Desarrollo en Automoción (CIDAUT), junto con la Dra. Ballcsteros,
del CIEMAT, pasaron revista al origen de los biocombustibles y a su
comportamiento en los motore^, solos
o mezclados con los comhustihlcs dc
origen mineral.
Hay que resaltar yue cualyuicr
biocarburante debc de of^rccer unas cspecificaciones técnicas equivalcntcs a
las de los carburantes que sustituye en
los motores de automoción, por lo que
se puede contar con los alcoholes y
sus derivados para los motores de gasolina, bien solos o mei.clados con
ellas, y los aceites vegetales (triglicéridos) y sus derivados por esterificación, para su utiliración cn las mezclas con el gasóleo, o la adaptación de
los motores para su empleo dirccto, en
estado natural o transformado cn éstcr
(biodiesel).
En cualyuier caso, el emplco de
un biocarburante exige que se necesiten pequeñas modificaciones en los
motores, con la posibilidad de que ^stos pued^m volver ^il carburinte tr^idicional, así como que su utilizaciún no
agl'O/c^r ^^ ic^u ®
I a^.^.LL
signifique pérdida de potencia apreciable u otras limitaciones como autonomía, facilidad de arranque en frío,
funcionamiento en caliente, reducidas
emisiones contaminantes, etc.
Esto significa que los biocarburantes con mayor futuro, desde el
punto de vista de los motores, serían
el éter butílico de etanol (ETBE) como componente del las gasolinas hasta el 20% y los ésteres metílicos de
aceites vegetales en los motores diésel, solos o mezclados con gasóleo.
ENSAYOS EN BANCO DE MOTOR DIÉSEL
^ 400
^
^ ^ Gasóleo
^ 5% BIO
350
^ 30°^ BIO
100°^ BIO
300
250
200
1500
OXIGENACIÓN DE LAS
^ GASOLINAS
Cuando se incorporan productos
oxigenados a las gasolinas, la emisión
de gases contaminantes se reduce, ya
que una parte del oxígeno necesario para la combustión se adquiere junto con
el combustible, aunque esto signifique
un aumento del consumo. Para aprovechar esta ventaja, en algunos países se
exige que las gasolinas contengan un
porcentaje mínimo de productos oxigenados para reducir las emisiones de gases nocivos.
Pero de la utilización de los alcoholes también se derivan otras ventajas, como el incremento del octanaje
de las gasolinas, sin que sea necesario
recurrir para conseguirlo al plomo o a
los hidrocarburos aromáticos, muy
CONSUMO
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Régimen de giro (rev/min)
nocivos desde el punto de vista ambiental. También, con el empleo de los
alcoholes se reducen las emisiones de
CO y HC.
En relación con la fonna en la
que se utilizan los alcoholes, en
América las preferencias han ido dirigidas a su utilización directa, como
el programa Proalcool de Brasil con
alcohol hidratado, o a las mezclas de
gasolina con alcohol anhidro de los
EE UU. En Europa se prefieren los
éteres, como el ETBE, obtenido con
etanol e isobuteno, como mejorante
de las gasolinas.
A pesar de las ventajas no hay que
olvidar algunos inconvenientes que se
derivan de la utilización de los alco-
ENSAYOS EN BANCO DE MOTOR DIÉSEL
holes para corregirlos: menor poder
calorífico que el de la gasolina, relación estequiométrica muy diferente,
que exigiría modificar la carburación
o la inyección de combustible, su gran
afinidad con el agua que produciría la
separación del combustible en dos fases, el mayor poder corrosivo y algunos inconvenientes para el arranque
en frío, o derivados de su evaporación
con gran altitud o por elevadas temperaturas.
La utilización de los derivados en
forma de éteres tiene claras ventajas,
como el mayor poder calorífico, una
relación estequiométrica más parecida
a la de las gasolinas, muy baja solubilidad en el agua, poder corrosivo menor, entalpía de vaporización muy inferior y menor volatilidad.
Se puede decir que, por las ventajas que ofrecen los derivados de los
alcoholes, a la vez que por la reducción que continuamente se producen
en los costes de obtención a partir de
productos agrícolas, serán los bioalcoholes unos aditivos que cada vez
aparecerán a una escala mayor en las
gasolinas, con el beneplácito de los
fabricantes de motores.
ACEITES VEGETALES Y
^ SUS DERIVADOS
Su empleo directo en los motores
de ciclo diésel ha sido, en principio,
opción que de una manera más sim-
^ ag1'otécnica
MAYO zooo
ENSAYOS EN BANCO DE MOTOR DIÉSEL
EMISIONES DE HC
-1 H Gasóleo
^ 5% BIO
--r'- 30% BIO
- ^ 100% BIO
3000
3500
4000
4500
Régimen de giro (rev/min)
ple podía considerarse, aunque la durabilidad de los motores de diseño
moderno se resintiera, especialmente
en lo que se relaciona con el ensuciamiento de la cámara de combustión.
Recurriendo a la mezcla de aceite vegetal con gasóleo y algo de alcohol
puede conseguirse un combustible
apto para muchos motores diésel,
aunque las emisiones contaminantes
aumentaran para algunos de los gases
controlados.
La mayor viscosidad y el índice
de cetano son los parámetros diferenciales de los aceites vegetales puros,
que se acercan a los del gasóleo mediante la transesterificación, ya que de
esta manera el peso molecular del
aceite (triglicérido) se reduce a una
tercera parte del inicial.
Aunque han habido experiencias
que permiten la utilización directa de
los aceites vegetales en motores diésel especialmente diseñados para ello,
como es el caso del motor Elsbett, la
mayoría de los fabricantes de motores
se inclina a la utilización de los aceites vegetales esterificados solos o
mezclados con el gasóleo.
Con el empleo directo del éster
metílico (biodiesel o diester) en los
motores diésel se produce una pequeña pérdida de potencia y un leve incremento del consumo, pero también
una reducción de la opacidad de los
humos (debido al oxígeno contenido
en el aceite), de las emisiones de CO
y HC, así como la ausencia de emisio-
MAYO 2000
nes de azufre. Las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) son ligeramente superiores, y la emisión de CO,
es la que previamente recuperó de la
atmósfera la planta que sirvió para
producir el aceite.
En algunos casos puede producirse
dilución del aceite lubricante, sin que
ésta supere el 5°lo entre los periodos
normales de cambio, así como problemas para el arranque y funcionamiento
en climas muy fríos, que exige el empleo de aditivos sobre el biocombustible que pueden ser del mismo tipo de
los que se utilizan en el gasóleo; hay
cierta incompatibilidad con las pinturas
no acrílicas y las conducciones de caucho y otros elastómeros.
Hay un punto de discusión en relación con el índice de yodo, más
elevado con los derivados ohtenidos
a partir del aceite de girasol con respecto a lo que se puede conseguir
con aceite de colza. EI índice de yodo pone de manifiesto la cantidad de
enlaces instaurados en la molécula
del aceite, que por su mayor facilidad de oxidación podrían provocar
mayor ensuciamiento del motor, por
lo que serían necesarios ensayos para comprobarlo. Las experiencias
realizadas en el CIDAUT -más adelante comentadas en detalle- ponen
de manifiesto que este ensuciamiento es inferior al que se produce con
el gasóleo.
LA EXPERIENCIA DEL
^ CIDAUT
EI Centro de Investigación y Desarrollo en Automoción de Valladolid
ha venido trabajando con el éster de
girasol como comhustible de motores
diésel, tanto en estado puro como en
mezclas con gascíleo, para vcr sus posibilidades y limitaciones desde una
perspectiva práctica, incluyendo en
estas pruebas la caracterización del
funcionamiento del motor en banco
(curvas de potencia, consumo, cmisiones contaminantes y ensuciamiento de
inyectores), en vehículos (emisiones
ENSAYOS EN BANCO DE MOTOR DIÉSEL
EMISIONES DE NOX
700
^
a
_^
X
^ ^ Gasóleo
^ 5% BIO
O
Z
a^
^
100% BIO
N
^
c
0
.^
.^
w
200 ^
1500
^
^
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Régimen de giro (rev/min)
agror^^^^^ri^^^, ^
sobre el `Ciclo Europa' y comportamiento en frío) y ensayos de larga duración (2 vehículos ligeros con éster
al lO^Io y 4 vehículos urbanos con éster al 30^Io).
Se puede destacar como más significativo en los resu(tados de las
pruebas en banco la reducida caída de
potencia de los motores, especialmente con las mezclas, un ligero aumento
del consumo, así como menores emisiones de CO y HC que las que se obtienen con gasóleo puro, así como
menor grado de ensuciamiento de los
inyectores (método CEC DP-023)
respecto al gasóleo puro.
En relación con las emisiones en
el `Ciclo Europa' (urbano + interurbano) sobre dos vehículos ligeros (Renault Laguna 2. l D y R- l9 1.9D), los
resultados obtenidos fueron los indicados en la Tabla 1.
Por otra parte, la variación de las
emisiones cuando se utiliza éster metílico de colza al 100% Comando como referencia un conjunto de ensayos
realizados en Francia, Austria y España, en relación con las que se obtiene
con gasóleo puro, son los señalados
en la Tabla 2.
En los ensayos de larga duración
sobre vehículo ligero durante 80 000
km utilizando una mezcla de gasóleo y
éster al 10% se detecta que el aceite del
motor conserva sus propiedades hasta
los l5 000 km, superando la limitación
ENSUCIAMIENTO DE INYECTORES
RESULTADOS MÉTODOS CEC PF-023 CON ESTER DE GIRASOL:
80
^ ^ 100% Gasóleo
---, 70
^ Ester al 5%
o^°
^^ Ester al 30%
^ 60
- - 100% Ester
^
^ 50
^
^ 40
:ó 30
V
^ 20
a^
^ 10
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Levantamiento de aguja (mm)
0.5
0.6
ENSAYOS DE DURACIÓN (RENAULT LAGUNA 2^ ^
G) EMISIONES Y CONSUMO EN CICLO EUROPA
URBANO+INTERURBANO
HC
CO
NOX
HC+NOX
PART
Cons.
C02
Producto
EMISIONES EN CICLO EUROPA RENAULT LAGUNA 2 ^ D Y R ^ 9 ^.9D
Tabla 1
HC
CO
dif.
g/km
Partículas
NOx
g/km
dif.
0.146
g/km
dif.
0.991
g/km
dif.
0.078
Gasóleo
0.634
Éster al 20%
0.574
-9%
0.128
-12°^
0.986
-1%
0.083
+6%
Éster al 100%
0.497
-22%
0.058
-60%
1.025
+3°^
0.072
-8%
Tabla 2
Valor medio
Valores max., min.
j^ agrOtc^cjzica
CO
HC
NOx
Partículas
-12%
-24°^
+7%
-36%
-35, +16%
-46, -4%
-16, +20%
-55, +5°^
nno,vo zooo
L;l^LLLJ
establecida por el fabricante (7 500 km); el consumo se estabiliza a lo largo del tiempo y los filtros de combustible tienen un funcionamiento correcto hasta los 10 000 km, frente
a los 15 000 señalados por el fabricante cuando se utiliza
gasóleo. Las emisiones según el Ciclo Europa evolucionan
en el tiempo como indica la figura adjunta.
Para los ensayos de larga duración sobre cuatro autobuses urbanos (Pegaso 6420, ID, 12L, AN) utilizando durante seis meses una mezcla de gasóleo con éster de girasol al 30% (distancia total recorrida de 120 000 km), no
se detectaron anomalías en los análisis realizados en los
aceites del motor, las prestaciones se mantuvieron con un
ligero aumento del consumo en servicio (<1%) y ligera
disminución de la potencia (1-2%), sin que se detectaran
ensuciamiento de inyectores o emisiones de humos de escape diferentes a los del gasóleo.
Todo ello pone de manifiesto que el empleo de mezclas con menos del 30% de éster metílico de girasol, el
comportamiento de los motores se encuentra en los límites establecidos para el gasóleo, siendo el ensuciamiento
de los inyectores menor del que se produce cuando se utiliza el gasóleo como único combustible.
Es tiempo de
Parece que la única limitación que se deriva de la utilización de los aceites vegetales transformados mediante
esterificación es la económica. Los costes de producción
los hacen menos competitivos que los de bioalcohol, por
lo yue deben de ser las ventajas ambientales derivadas de
su utilización, especialmente cuando se emplean en ambientes sensibles, como para la navegación por aguas interiores o en la circulación urbana, las que los impongan
en mayor o menor grado.
■ CONCLUSIONES
Se puede decir que, desde el punto de vista técnico, el
empleo de los biocarburantes es una alternativa potencialmente válida que podría mejorar el balance ambiental
de nuestros automóviles. Las únicas limitaciones son de
naturaleza económica y organizativa, en gran parte como
consecuencia del impuesto a los combustibles fósiles, que
no deberían de aplicarse a los biocarburantes con la misma intensidad, ya que su proceso productivo en la fase
agrícola ofrece un retorno impositivo de cerea del 80%
del que se aplica a los combustibles importados.
Tampoco hay que pensar que la totalidad de los carburantes utilizados podrían tener origen agrícola. EI objetivo del 5% es racional, compatible con las superficies
agrícolas disponibles, ya que no se puede olvidar el objetivo alimentario como principal de la producción agraria.
En cualquier caso, las medidas de incentivación que
se están produciendo en el conjunto de los países de la
Unión Europea van a incrementar la presencia de los biocombustibles en el mercado de los combustibles fósiles,
en gran medida por las consecuencias ambientales que
derivan de su utilización.^
MAYO 2000
Ahora que necesita dar esa labor
a sus campos después de arados
es cuando puede apreciar
las máquinas de AGRIC.
Desarrolladas para rendir al máximo. ..
lisa y IlanameMe
AGRÍC^B^MVÍG s. a.
Ctra. Nal. 152, km 80 • 08508 MASIES DE VOLTREGÁ
Barcelona - España
Tets. 93 850 25 25 - 24 50 - 27 00 • Fax 93 850 20 77 - 93 857 08 93
e-mail: [email protected] • http://www.agricbemvig.com