Aceites y Alcoholes. Biocombustibles Líquidos
De Construmatica
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Nota: Este artículo ha sido creado gracias a la Ingenieros Sin Fronteras en el marco del Programa de Afiliados de la Construpedia. El contenido está disponible en el sitio web de Ingeniería Sin Fronteras
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Alcoholes
Experiencias realizadas en muchos países avalan la utilización de alcoholes en motores de encendido por chispa. El etanol es, con diferencia, el más usado hasta ahora, pero se empieza a pensar en serio en la alternativa del metanol, con la principal desventaja de la peligrosidad.
Los países pioneros son Brasil y Estados Unidos. El etanol se puede usar sólo o mezclado con la gasolina, dependiendo de su pureza; así, cuando puro (99.5%), se puede mezclar, sin apenas modificaciones en el motor; si impuro (95-96%), se utiliza en solitario, si bien es preciso realizar modificaciones de cierta importancia.
Los principales programas son el Proalcool, en Brasil (etanol a partir de caña de azúcar) y Gasohol en Estados Unidos (mezcla de gasolina super y de etanol obtenido a partir de maíz).
Ventajas e inconvenientes
En cualquier caso, las ventajas que ofrece se enumeran a continuación:
- mejores prestaciones globales;
- incremento del par y del valor energético por unidad de volumen de mezcla;
- combustión más completa, menores residuos en general;
- aumentaría el número de puestos de trabajo en el campo;
- mejor distribución de la riqueza.
Las principales desventajas son:
- mayor consumo, habida cuenta del menor poder calorífico;
- emisión de aldehídos, y posible contenido en ácido sulfúrico;
- problemas de almacenamiento, sobre todo en el metanol.
Modificaciones en los motores
Podemos enumerar las principales modificaciones que sufrirían los motores para poder emplear alcohol como combustible en solitario (en conjunto, superan el número de 300):
- nuevos colectores de admisión;
- válvulas y asientos capaces de soportar mayores esfuerzesfuerzos, al ser mayor la relación de compresión;
- distinto grado térmico en las bujías;
- variación del adelanto al encendido;
- juntas más resistentes;
- carburador con revestimiento de níquel y bombas de alcohol con cromo o cadmio, para evitar la corrosión;
- tuberías de nylon, y diafragma de la bomba de combustible de materiales que no sean atacados por el alcohol;
- tratar con plomo o estaño el depósito de combustible.
Obtención del Bioalcohol
En cualquier caso, la obtención del alcohol de forma industrial se realiza a partir de tres distintos substratos:
- producto azucarado,
- almidón o
- material celulósico.
Cualquiera de ellos requiere una preliminar molienda o desagregación, seguido de una fermentación y la destilación final.
Cada uno de ellos es más costoso que el anterior. En el caso del metanol, el substrato es material celulósico, que se puede obtener tanto de especies arbóreas como de cultivos herbáceos.
Se piensa ya en soluciones globales; así, para sustituir por metanol toda la gasolina y el gasoil empleado en locomoción en los Estados Unidos se necesitarían unos 85 millones de hectáreas; desde luego, hoy no se puede pensar en sustituir la totalidad de este combustible, pero sí una parte del mismo.
Si pudiéramos hacer lo mismo en España, calculando con 40 millones de habitantes, y suponiendo un consumo del 50% del que corresponde a cada usuario en los Estados Unidos, con una sustitución sólo del 15% del combustible usado en locomoción, necesitaríamos un millón de hectáreas, lo que representaría solamente el 2% de nuestra superficie, que es la considerada marginal en la práctica.
Aceites
Tipos de aceites
En general, se suele hablar de tres calidades distintas en aceites de origen vegetal:
- Aceite Bruto,
- Aceite Refinado y
- Aceite Esterificado.
El aceite bruto es el que se obtiene en primer lugar, mediante cualquiera de las técnicas industriales en uso hoy en día, como puede ser el prensado o algún disolvente.
El aceite refinado es el que ha sufrido unos tratamientos de limpieza, decoloración y corrección de pH.
Finalmente, el aceite esterificado es el resultado de la reacción química entre este aceite y un alcohol (metanol en el caso del metilester).
Elección del cultivo
La elección del cultivo no es fácil, teniendo en cuenta que hay más de 300 especies capaces de producirlo en cantidades industriales.
En general, es mayor la producción de aceite por unidad de superficie en árboles que en arbustos, pero la recolección decide rápidamente. Actualmente, la producción de aceite se realiza en explotaciones particulares, en cooperativas y a escala industrial; el principal cultivo para estas necesidades energéticas parece ser la colza (RME), pero aún no se debe despreciar el girasol (SME).
Los aceites, en su estado natural, tienen unas características que no se parecen en absoluto a las de los combustibles derivados del petróleo, en especial la viscosidad. Esta cualidad es de importancia fundamental, teniendo en cuenta que, desde su misma creación, la tendencia consiste en beneficiar cada vez más el uso del gasoil como combustible en este tipo de motores.
Esterificación
La esterificación es el método más sencillo para acercar las características de los aceites a las del gasoil, y el resultado es lo bastante bueno como para que se pueda hacer la sustitución sin que el sistema sufra menoscabo alguno.
Únicamente será preciso tener cuidado en algunos asuntos puntuales, como puede ser el ataque del éster sobre algunas conducciones, depósitos en la bomba de inyección y en la cámara de combustión, o dilución en el aceite lubricante; todo ésto tiene una solución bastante sencilla, pasando por la elección de ciertos materiales y lubricantes, y efectuando un mantenimiento con mayor frecuencia.
Se mezcla el aceite con un exceso de metanol (la relación estequiométrica es de tres moles de alcohol por un mol de aceite) en presencia de un catalizador de la reacción (que suele ser K OH).
Poniendo doble cantidad de alcohol (que es normal) se necesita un tiempo comprendido entre 1 y 8 horas (según la temperatura) para obtener el metilester, a la vez que una fase acuosa a base de glicerina. Se suele usar un reactor discontinuo con un agitador. Para grandes producciones se puede emplear un método contínuo.
La reacción se puede parar añadiendo ácido fosfórico. Se separa la fase acuosa. Se evapora el alcohol en exceso, destilándolo para poder volverlo a emplear. Se puede centrifugar el éster para eliminar cualquier residuo de agua.
Unos números prácticos indican que 100 kg de aceite y 11 kg de metanol (con catalizador) producen en una hora (a 70 oC) una cantidad de 100 kg de diéster (contracción de diesel y éster) y 11 kg de glicerina.
Precisamente, el problema puede ser la gran cantidad de glicerina que introduciríamos en el mercado.
En toda Europa se utilizan solamente 150000 toneladas al año.
Si consideramos una producción de semilla de colza de 3 t/ha con un porcentaje del 40% de aceite (que podría llegar al 45 ó al 50%), obtendremos una producción neta de 1200 kg/año.ha de combustible (1300 litros). Además, proporcionaría una cantidad de 1800 kg de torta útil para alimentación animal, así como 3 toneladas de paja. Todo ésto representa, en cuanto a cantidad total de combustible, entre 1900 y 2500 kg de petróleo por hectárea y año, con lo que se obtiene una energía total de 50 GJ/ha con un rendimiento aproximado de 3.
El lado negativo en cuanto a la parte energética reside en el hecho de la pérdida del alcohol usado para el éster, pero se puede perdonar fácilmente.
Utilización en motores
Este tipo de aceites se pueden emplear en cualquier motor de encendido por compresión, al ser sus parámetros tan similares a los del combustible ordinario.
El aceite bruto o refinado, en cambio, no se puede emplear en aquellos motores que utilizan el sistema de inyección directa (que son los presentes en la mayor parte de la maquinaria agrícola), pues producen en poco tiempo depósitos carbonosos en los inyectores, dificultando la pulverización dentro de la cámara, y acabando con el funcionamiento del motor en unos pocos cientos de horas.
Este aceite, no obstante, se puede utilizar en el caso de disponer de motores con precámara, que es como hacer, si bien que teóricamente, la combustión en dos etapas: una primera a alta presión, con exceso de combustible, y otra a baja presión y temperatura también baja, con exceso de aire y una disposición que favorece la creación de un torbellino. El inconveniente es el aumento del consumo específico en un 5%, y la disminución de la potencia en un porcentaje similar.
Otra solución puede ser la que se basa en una mezcla de aceite vegetal con gasolina y alcohol, y que se distribuye en Alemania desde principios de 1993 con el nombre de Tessol.
También se puede usar la solución de calentar el aceite vegetal puro para disminuir su viscosidad.
Este calor se le puede proporcionar: eléctricamente, mediante cambiadores de calor con el aceite de refrigeración, o con el calor perdido por el motor.
Otra forma es optar por el régimen Dual, es decir, arrancar con el combustible tradicional, y calentar de este modo el aceite hasta que su viscosidad nos permita utilizarlo.
Cualquiera que sea el sistema empleado, se ha llegado siempre a unos resultados parecidos.
Conviene tener en cuenta, sin embargo, en todos los casos, las ventajas y los inconvenientes, algunos de los cuales ya hemos enumerado.