Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz E-Book

Juan Carlos Goñi Delión

• Herausgeber: Fondo editorial Universidad de Lima
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2017

Seitenzahl: 268

Beschreibung

Explica el efecto de mezclas de combustible convencional con mayor concentración de biocombustible en motores de combustión interna. Se mezcló gasolina-alcohol carburante en un motor de ciclo Otto y de petróleo diésel-biodiésel en un motor de ciclo Diésel. Aborda las propiedades de los combustibles y biocombustibles, la tecnología de los motores con combustibles alternativos y convencionales.

Leseprobe

MANUAL DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS Y TECNOLOGÍA AUTOMOTRIZ

Juan Carlos Goñi Delión • Mario Rojas Delgado

Colección Textos Universitarios

Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz

Primera edición digital, octubre de 2016

©   Juan Carlos Goñi Delión, Mario Rojas Delgado

©   Universidad de Lima

Fondo Editorial

Av. Javier Prado Este N.o 4600,Urb. Fundo Monterrico Chico, Lima 33, PerúApartado postal 852, Lima 100, PerúTeléfono: 437-6767, anexo [email protected]

Diseño, edición y carátula: Fondo Editorial de la Universidad de Lima

Versión ebook 2017

Digitalizado y distribuido por Saxo.com Peru S.A.C.

https://yopublico.saxo.com/

Teléfono: 51-1-221-9998

Avenida Dos de Mayo 534, Of. 304, Miraflores

Lima - Perú

Se prohíbe la reproducción total o parcial de este libro sin permiso expreso del Fondo Editorial.

ISBN versión electrónica: 9789972453540

Índice

Presentación

Capítulo 1. Fundamentos de combustibles, energías y tecnología automotriz

1. Generalidades de combustibles

2. Combustibles convencionales

3. Combustibles alternativos

3.1 Biodiésel

3.2 Bioetanol

3.3 Gas natural

3.4 Gas licuado de petróleo

3.5 Electricidad

3.6 Dimetiléter

3.7 Hidrógeno

4. Combustibles emergentes

4.1 Biobutanol

4.2 Series pentano

4.3 Biometano

4.4 Combustibles sintéticos para transporte

5. Energía y potencia

5.1 Energía mecánica

5.2 Energía eléctrica

5.3 Energía térmica

5.4 Diferentes tipos de potencia

6. Tecnología automotriz

6.1 Generalidades de los motores de combustión interna y combustibles

6.2 Principio de funcionamiento de un motor de combustión interna

6.3 Consumo de combustible y consumo específico de combustible

6.4 Cálculo de la eficiencia de los motores

Capítulo 2. Biocombustibles: clasificación, insumos y producción

1. Biocombustibles e insumos de primera generación

1.1 Biodiésel

1.2 Bioetanol

1.3 Biogás

2. Producción de biocombustibles de primera generación

2.1 Biodiésel por transesterificación

2.2 Bioetanol

2.3 Biogás y transformaciones bioquímicas

3. Biocombustibles e insumos de segunda generación

3.1 Algas para la obtención de biodiésel y bioetanol

3.2 Biomasa lignocelulósica para obtener bioetanol

4. Producción de segunda generación de combustibles

4.1 Biodiésel a partir de especies no alimentarias

4.2 Bioetanol a partir de productos lignocelulósicos

4.3 Dimetiléter a partir del metanol y del gas de síntesis

4.4 Obtención del hidrógeno

4.5 Biocombustibles Fischer-Tropsch

5. Biorrefinación

Capítulo 3. Motores de vehículos con combustibles alternativos

1. Clasificación de los motores para automóviles

2. Motores según el ciclo termodinámico Otto

2.1 Partes principales del motor Otto

2.2 Funcionamiento del motor de cuatro tiempos

2.3 Parámetros de funcionamiento del motor de encendido por chispa

2.4 Diagrama cerrado de los motores de encendido por chispa

2.5 Diagrama abierto de los motores de encendido por chispa

2.6 Detonación y octanaje en motores de encendido por chispa

3. Motores según el ciclo termodinámico Diésel

3.1 Parámetros del motor Diésel

3.2 Diagrama cerrado del ciclo termodinámico Diésel

3.3 Diagrama abierto presión versus ángulo de rotación del cigüeñal en los motores de petróleo

3.4 Sistema de inyección de petróleo

3.5 Turbocompresor e intercooler

4. Curvas características de los motores de combustión interna

4.1 Curva potencia efectiva versus presión de admisión y temperatura de admisión

4.2 Curva potencia efectiva y torque versus velocidad angular del cigüeñal

4.3 Curva eficiencia total versus relación de compresión, presión de admisión y presión de escape

4.4 Comparación de las curvas características

Capítulo 4. Rendimiento y uso de combustibles en motores de combustión interna

1. Combustibles convencionales y balance energético

2. Combustibles alternativos y electricidad

2.1 Rendimiento y uso del biodiésel

2.2 Rendimiento y uso del bioetanol

2.3 Rendimiento y uso del gas natural

2.4 Rendimiento y uso del gas licuado de petróleo

2.5 Rendimiento y uso de la electricidad

2.6 Rendimiento y uso del dimetiléter

2.7 Rendimiento y uso del hidrógeno

3. Utilización de biocombustibles en motores de vehículos y máquinas industriales

3.1 Utilización de biodiésel en motores

3.2 Utilización de bioetanol en motores

3.3 Utilización de biogás en motores

3.4 Comparación de uso de mezclas gasolina-bioetanol y diésel-biodiésel

4. Uso de biocombustibles en diversos tipos de motores

4.1 Biocombustibles en motores de aviones

4.2 Biocombustibles en motores de trenes y barcos

4.3 Biocombustibles en motores de transporte terrestre

4.4 Uso de biocombustibles en motores Diésel

4.5 Combustibles para mezclas con biodiésel

4.6 Biodiésel para uso en buses y camiones

4.7 Casos de uso militar de biocombustibles en barcos y aviones

4.8 Uso de biogás purificado en motores de combustión

Capítulo 5. Seguridad energética y aspectos ambientales

1. Seguridad energética y aspectos ambientales de los combustibles

1.1 Seguridad en combustibles convencionales

1.2 Seguridad en biocombustibles y en electricidad

2. Seguridad energética en general: información estadística

2.1 Producción de petróleo, gas natural y productos derivados

2.2 Reservas de petróleo y gas natural en el Perú

2.3 Exportación e importación de hidrocarburos y aditivos

2.4 Reservas, demanda y oferta de hidrocarburos en el Perú y el mundo

3. Aspectos ambientales

3.1 Consumo de energía

3.2 Emisión de gases y partículas

3.3 Balance de energía eléctrica

Capítulo 6. Combinaciones de los combustibles investigados

1. Selección de combustibles comprendidos en la investigación

1.1 Mezclas de gasolina y alcohol carburante

1.2 Mezclas diésel-biodiésel

2. Mezclas de combustibles y biocombustibles a partir de los combustibles base

2.1 Lineamientos de verificación de las mezclas de combustibles ensayados

2.2 Contenido de alcohol carburante y otros componentes

3. Propiedades térmicas de los combustibles

3.1 Poder calorífico y densidad energético-volumétrica

3.2 Propiedades térmicas de los combustibles en general

4. Normalización comercial y técnica

4.1 Normalización para alcohol carburante NTP 321.126 - 2011

4.2 Normalización para biodiésel NTP 321.125 - 2008

4.3 Normalización para gasolina NTP 321.102 - 2002

4.4 Normalización para diésel NTP 321.003 - 2005

4.5 Normalización para gas licuado de petróleo NTP 321.116 - 2004

4.6 Normalización para diésel marino NTP 321.139 - 2003

4.7 Normalización para motores de combustión interna. Definiciones NTP 383.066 - 1989 (2012)

5. Seguridad en transporte y almacenamiento de combustibles

5.1 Seguridad y riesgos del diésel B5 S-50

5.2 Seguridad y riesgos del gasohol 95 plus*

Capítulo 7. Pruebas en el banco de motores de combustión interna

1. Pruebas de potencia y torque en motores de encendido por chispa

2. Pruebas de potencia y torque en motores de encendido por compresión

3. Descripción de los equipos de ensayo

3.1 Freno dinamométrico de corrientes parásitas

3.2 Medidor del consumo de combustible

3.3 Tablero de control

3.4Software de medición de parámetros

3.5 Medición del consumo de aire

3.6 Motor Ford a gasolina

3.7 Motor Volkswagen Diésel

4. Curvas de comportamiento con las diferentes mezclas ensayadas

4.1 Curvas de mezclas G95 E7.8

4.2 Curvas de mezclas G95 E10

4.3 Curvas de mezclas G95 E12

4.4 Curvas de mezclas DB2

4.5 Curvas de mezclas DB5 S-50

4.6 Curvas de mezclas DB10 S-50

4.7 Curvas de mezclas DB12 S-50

4.8 Ángulo de adelanto de chispa

5. Componentes tóxicos de los gases de escape

6. Conclusiones de los ensayos

7. Cuadros comparativos y conclusiones generales referidas a las mezclas recomendadas. Razones para su uso en el mercado nacional

7.1 Mezclas de combustibles disponibles actualmente en el mercado y componentes base

7.2 Mezclas de combustibles de origen fósil y biocombustibles, probadas en el banco de motores

7.3 Caracterización técnica y comercial

7.4 Información para la seguridad en transporte y almacenamiento de combustibles

7.5 Relación combustible, seguridad energética y servicio de motor

7.6 Producción de gases de efecto invernadero

7.7 Conclusiones generales

Referencias bibliográficas

Anexos

Anexo 1. Curvas características de los motores ensayados

Anexo 2. Simbología

Anexo 3. Propuesta de ensayo de laboratorio de motores a gasolina y Diésel

Presentación

El presente trabajo, titulado Manual de combustibles alternativos y tecnología automotriz, es el resultado de la investigación sobre combustibles alternativos realizada con el auspicio del Instituto de Investigación de la Universidad de Lima. La investigación fue desarrollada mediante ensayos con diversos combustibles y utilizando un banco de ensayo para motor.

El objetivo principal de esta investigación fue determinar en forma experimental la energía obtenida, la eficiencia en los motores de combustión interna y la conveniencia técnica de utilizar combustibles alternativos con diferentes porcentajes de combustible ecológico, pues el parque automotor en Lima ha usado convencionalmente gasolinas y petróleo provenientes de hidrocarburos fósiles. Se han tomado dos grandes rangos de combustibles en función del tipo de motores de combustión interna: los motores de ciclo Otto o a gasolina y los motores de ciclo Diésel o a petróleo.

En el estudio se ha considerado, por un lado, el combustible biodiésel mezclado con el petróleo diésel 2 comercial, haciendo pruebas con diferentes porcentajes de biodiésel, como son el biodiésel DB2, DB5, DB10 y DB12. Por otro lado, se ha trabajado con el etanol como alcohol carburante o bioalcohol, mezclado con la gasolina para obtener mezclas como la GE5, GE7.8, GE10, GE12, con las que se realizan ensayos para establecer los parámetros de consumo de combustible, potencia, torque y rendimiento, entre otros.

Este manual de combustibles y tecnología de vehículos comienza explicando los fundamentos básicos de los combustibles; asimismo, explica las propiedades que caracterizan a los combustibles, punto de ignición, grado de pureza, número de octano, número de cetano, y plantea los cálculos para obtener el poder calorífico a partir de los componentes que los integran. También se dan algunos ejemplos ilustrativos, y se continúa con las propiedades físicas, químicas y térmicas que se deben considerar para el funcionamiento y regulación de un motor de combustión interna.

En el inciso referente a los combustibles convencionales, se trata de los combustibles regularmente usados en la industria automotriz y en nuestro medio, como el petróleo diésel D2, las gasolinas en sus diferentes octanajes, el gas licuado de petróleo (GLP) y el gas natural vehicular (GNV).

Dentro de los combustibles no convencionales se estudiarán el dimetiléter, el hidrógeno, los diversos alcoholes carburantes y los diferentes aceites para usar en motores a gasolina y Diésel.

Los combustibles alternativos serán la parte central de este texto y se estudiarán a partir de los motores de vehículos (capítulo 3), donde se revisarán con profundidad el biodiésel, el bioetanol, las mezclas biodiésel-petróleo fósil y bioetanol-gasolina. Se iniciará el capítulo con generalidades, para terminar con casos aplicados. En esta sección se presenta una clasificación de los motores de combustión interna y se explica el ciclo de funcionamiento de cada uno. De esta manera se pueden comprender las diferentes características técnicas y fisicoquímicas que debe respetar un combustible para ser aplicado a los motores. Se termina explicando las curvas características de los motores de combustión interna y la relación entre cada una de estas curvas.

Entre los temas que se abordan, es imprescindible mencionar el estudio del rendimiento y utilización de los combustibles en los motores de combustión interna de uso comercial, como son los aviones, trenes, barcos, grupos electrógenos y otros. Asimismo, se concede la debida importancia a la seguridad energética y al respeto ambiental, para lo cual se revisa la seguridad de los combustibles convencionales, de los biocombustibles, de la electricidad, con la información y el marco legal; para terminar con el consumo de energía y el medio ambiente.

Finalmente, para poder demostrar la utilidad práctica de la investigación y exponer resultados concretos, se muestran los ábacos y las curvas obtenidos con motores de ensayo en laboratorio, haciendo uso de un banco de pruebas para motores de combustión interna. Este punto exige el conocimiento del comportamiento de un motor vehicular, su geometría, su sistema de funcionamiento, su mecanismo, su alimentación de combustible (inyección), carburación, sistema eléctrico y sistema de refrigeración. Luego de estos puntos se presentan las curvas ensayadas, con las respectivas conclusiones y sugerencias que pueden ser aplicadas comercialmente, con sustento técnico.

Se observa que existen en nuestro medio fuertes reservas y preocupaciones técnicas que impiden seguir incrementando el porcentaje de biocombustibles en la gasolina y el petróleo diésel. Los ensayos han demostrado que el aumento volumétrico razonable de biocombustibles es factible en nuestro parque automotor, no reduce la potencia ni la eficiencia de los motores; además, se conserva el motor más limpio y se favorece al ecosistema.

Los autores

Capítulo1

Fundamentos de combustibles, energías y tecnología automotriz

En este capítulo se tratan los siguientes temas:

• Generalidades de combustibles

• Combustibles convencionales

• Combustibles alternativos

• Combustibles emergentes

• Energía y potencia

• Tecnología automotriz

Los combustibles para la alimentación de los motores de la ingeniería automotriz han sido, desde sus primeros diseños, el factor más importante en su funcionamiento. Las propiedades de un combustible determinan el tipo de motor de combustión interna a utilizar, y asimismo, un ciclo de funcionamiento que se adecúa a ciertas características especiales de un combustible.

El presente capítulo trata de las generalidades de los combustibles, combustibles convencionales, combustibles alternativos, combustibles emergentes, energía, potencia y la tecnología automotriz compatible con los combustibles existentes en el mercado.

En esta sección se introducen los fundamentos de los combustibles convencionales, alternativos, emergentes y la tecnología de los motores de combustión interna que requieren de estos combustibles.

1. GENERALIDADES DE COMBUSTIBLES

En esta introducción se reseña el origen de la energía y los combustibles en el planeta Tierra, presentando una distribución de la energía solar en nuestro orbe.

a) Energía de posición del planeta Tierra en el universo:

La energía de posición del planeta Tierra comprende la energía asociada a los otros planetas y al universo con los campos gravitatorio, electromagnético, radioeléctrico y otros. Esta energía de posición es de mínima magnitud comparada con la energía solar incidente sobre nuestro planeta.

b) Energía solar incidente sobre el planeta Tierra:

La energía solar se divide en energía actual o energía incidente sobre el planeta y la energía almacenada, que es la que incidió en el pasado y se depositó como energía interna del planeta.

La energía actual se divide en directa e indirecta. La energía directa comprende la captación térmica mediante paneles y concentradores de energía, y la captación fotónica, que se da por medio de celdas fotovoltaicas o por biomasa vegetal y animal residual.

La energía indirecta la forma la energía eólica del aire de la atmósfera e hidráulica de mares, ríos, lagos y otras masas acuáticas.

La energía almacenada es la energía interna del planeta y comprende la energía en materia radioactiva, la energía geotérmica y la energía en materia fósil.

El combustible fósil proveniente de la materia fósil, combustible convencional, se relaciona con el combustible proveniente de la biomasa actual, combustible renovable o biomásico, para dar lugar a los combustibles alternativos. Estos dan lugar a biocombustibles puros, combustibles emergentes, y también mezclas entre combustibles convencionales y biocombustibles. Actualmente, estas mezclas de biocombustible están mundialmente comercializadas en diversas composiciones convencionales y de biocombustible.

A continuación se indican brevemente algunos ejemplos de combustibles fósiles y biomásicos.

Combustibles fósiles (cuasi-directos, agotables):

– Gas natural (natural gas) y derivados.

– Carbón mineral (coal) y derivados.

– Petróleo (petroleum, oil) y derivados.

Combustibles biomásicos (cuasi-directos, renovables):

– Residuales forestales (leña, ramas, hojas, aserrín de madera).

– Carbón vegetal (charcoal, subproducto de la destilación seca de madera).

– Residuales agrarios y agroindustriales (ramas, hojas, tallos, bagazo, orujo).

2. COMBUSTIBLES CONVENCIONALES

Para esta sección se ha tomado como base la información del Grupo de Trabajo n.° 10 del Congreso Nacional del Medio Ambiente 8 (Conama, 2006b), que detalla:

a) Definición y propiedades:

La gasolina y el diésel n.° 2 son mezclas complejas de hidrocarburos que destilan en un intervalo de temperaturas determinado; menor temperatura en gasolina como más volátil y mayor temperatura en diésel n.° 2 como menos volátil.

Además de hidrocarburos de origen fósil, los combustibles pueden mezclarse con biocombustibles, gasolina con alcohol carburante y diésel n.° 2 con biodiésel; y en el caso de la gasolina puede tener aditivos como agentes oxigenantes, generalmente etil-éter, butil-éter o metil-terbutil-éter.

En el Perú, la normatividad oficial de combustibles corresponde al Instituto Nacional de Defensa de la Competencia y de la Protección de la Propiedad Intelectual (Indecopi).

b) Beneficios:

– Almacenamiento y distribución de los combustibles deben ser confiables.

– Precios competitivos.

– Adecuados para la introducción de los biocombustibles.

– Muy eficientemente adaptados a los vehículos.

c) Inconveniencias:

– Obligación legal de uso de mezclas con combustibles alternativos.

3. COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS

Los combustibles considerados son el biodiésel, bioetanol, gas natural, gas licuado de petróleo, electricidad como vector energético, dimetiléter e hidrógeno.

3.1 Biodiésel

a) Definición y propiedades:

El biodiésel es un éster metílico de ácidos grasos que se obtiene a partir de aceites vegetales y que puede utilizarse en vehículos Diésel.

Los aceites vegetales utilizados están compuestos principalmente por ésteres denominados triglicéridos. Para obtener el biodiésel es necesario convertir los triglicéridos en ésteres de metilo. Esto se consigue a través de una reacción denominada transesterificación.

El biodiésel es un sustituto renovable del diésel petrolero para motores de combustión interna de vehículos de transporte. Este combustible puede aumentar la seguridad energética, mejorar las condiciones ambientales y el cuidado de la salud pública.

b) Beneficios:

– Beneficios medioambientales.

– Creación de empleo en el sector agrario.

– Aumento de seguridad en el abastecimiento.

– Mercado en expansión del biocombustible.

– Permite cumplir con protocolo de Kyoto al sector del transporte.

– Introducción obligatoria en mezclas con el diésel de origen petrolero.

– Reducción del precio de la glicerina (subproducto).

c) Inconveniencias:

– Baja rentabilidad del biocombustible.

– Se hace viable económicamente si el precio del petróleo aumenta a un nivel muy alto.

3.2 Bioetanol

a) Definición y propiedades:

El bioetanol es un etanol de origen vegetal que se obtiene de sustancias ricas en almidón y azúcar como cereales, maíz, remolacha, residuos vínicos y otros.

El bioetanol puede utilizarse en motores Otto hasta un 12 % y en vehículos modificados hasta un 100 %. Asimismo, a partir del bioetanol se pueden formar compuestos mejoradores del octanaje, como es el ETBE (etil-terbutil-éter).

El etanol es producido a partir de diversos insumos de origen vegetal, denominados en conjunto biomasa. El etanol tiene un uso intensivo en mezclas con gasolina para accionar motores de combustión interna, y también ha sido empleado como combustible alternativo o en mezclas al 85 % en volumen de etanol y mayor. En Perú, son comunes las mezclas de gasolina (G) con 7,8 % en volumen de alcohol carburante o etanol desnaturalizado (E).

La materia prima puede ser soluciones azucaradas extraídas de caña de azúcar o remolacha, y por fermentación de los azúcares se puede obtener el etanol para su refinación final. El subproducto es CO2, que puede ser utilizado como nutriente en el cultivo de microalgas.

Otra ruta es la hidrólisis de granos o de material lignocelulósico, para obtener una solución azucarada a ser fermentada y destilada, para dar etanol y CO2.

El etanol tiene mayor octanaje que la gasolina, por lo que permite una mezcla con mejores propiedades, y se requiere un octanaje permisible para evitar el traqueteo en el motor.

b) Beneficios:

– Reducción de la dependencia del petróleo.

– Materias primas diversificadas de obtención local.

– Reducción de la emisión de gases de efecto invernadero.

– Oportunidades para mayor actividad económica rural.

– Eliminación de residuos orgánicos (material celulósico).

– Promoción de biocombustibles mediante subsidios.

– Uso de infraestructura de transporte y almacenamiento del biocombustible puro o mezclado.

– Requiere del impuesto a los combustibles.

c) Inconveniencias:

– Falta avanzar en tecnologías de conversión de celulosa en bioetanol.

– Desarrollo de biorrefinerías para aprovechamiento integral de los recursos.

– Precios altos a largo plazo.

– Conflictos con el uso de tierras y materias primas tipo alimentarias.

3.3 Gas natural

a) Definición y propiedades:

El gas natural (GN) se utiliza directamente como combustible en motores tipo Otto de encendido por chispa. También se puede utilizar comprimido (a 200 bar) o licuado. Por motivos de los requerimientos de almacenamiento, se ha desarrollado más el uso de GN comprimido.

El gas natural (GN) es una mezcla gaseosa de hidrocarburos, principalmente metano (CH4). Tiene uso doméstico, comercial, industrial, producción de electricidad y como combustible vehicular alternativo por tener un quemado más limpio y un menor contenido de azufre. El Perú posee importantes reservas y yacimientos para la extracción de GN para aplicación intensiva en la industria y en los vehículos de transporte público (gas natural vehicular). El gas natural “entero” es fraccionado a gas natural “seco” comprimido (metano-etano) y líquidos del gas natural (hidrocarburos mayores). El gas natural se pondera en unidades de diésel o de galones de gasolina equivalentes (GGE).

b) Tipos:

– Gas natural seco comprimido (GNC):

Es la fracción del gas natural “entero” que se extrae del yacimiento, y contiene principalmente metano (C1) y etano (C2) en menor proporción, además de otros componentes. El GNC que sale de la planta de fraccionamiento es transportado a través de un ducto dirigido hacia los centros de acondicionamiento para su distribución y uso. En el caso del proyecto Camisea (Sureste del Perú), el GNC sigue el trayecto general de Malvinas-Pisco-Callao.

– Líquidos del gas natural (LGN):

Es la fracción del gas natural “entero” que se extrae del yacimiento, contiene hidrocarburos mayores al C1 y C2, tales como propano (C3), butano (C4), pentano (C5) y otros mayores. El LGN que sale de la planta de fraccionamiento es transportado a través de un ducto destinado hacia un centro de refinación para obtener gasolina, diésel y una mezcla de propano y butano, denominada gas licuado de petróleo (GLP).

– Gas natural vehicular (GNV):

Es el GNC normalizado por el Estado, para su uso como carburante gaseoso en motores de combustión interna de vehículos automotores, para transporte público y particular. Se suministra en las estaciones de servicio autorizadas, donde se carga el GNV al tanque del vehículo, a la presión de 200 bar.

– Gas natural licuefactado (GNL):

Es el GNC acondicionado (purificado) y licuefactado (condensado) a -160 °C; también se le denomina “metano líquido” y se transporta en naves marinas conocidas como buques metaneros. En el Perú se tiene una planta de producción de GNL instalada al sur de la capital, aproximadamente a 179 kilómetros de Lima (Melchorita).

c) Beneficios:

– Precio competitivo.

– Mejor compatibilidad medioambiental.

– Reducción de la dependencia del petróleo.

d) Inconveniencias:

– Reducción del espacio para equipaje por el tamaño del tanque del gas.

– Mayor riesgo por la alta presión operativa.

– Se requiere de estaciones de reparto dedicadas.

3.4 Gas licuado de petróleo

a) Definición y propiedades:

El GLP vehicular es el combustible alternativo más utilizado en el mundo. El GLP se usa añadiendo un equipo de almacenamiento y alimentación de gas al sistema de gasolina del vehículo. El abastecimiento de gas se realiza mediante surtidores de gas, llenando un depósito de acero instalado en el vehículo, con un proceso de recarga similar al de cualquier combustible líquido.

El gas licuado de petróleo (GLP), también conocido como propano, gas doméstico y simplemente gas, es la mezcla de C3 y C4 (C3 al 95 % y C4 al 5 %) que se obtiene en una refinería de petróleo, de allí el nombre de gas licuado de petróleo; también se puede obtener de una refinería de los líquidos del gas natural (LGN).

El GLP almacenado en un tanque a presión es una mezcla líquido-gas, no tiene olor ni color. Cuando la válvula del tanque se abre progresivamente, el líquido pasa a gas, que es empleado como carburante. Para detectar fugas se agrega etil-mercaptano, que le otorga al gas un olor desagradable como indicador del peligro existente.

Identificación como carburante alternativo: el interés en considerar el GLP como un combustible alternativo es por su disponibilidad local, alta densidad energético-volumétrica y su relativo bajo costo. Ocupa el tercer lugar en la categoría de carburante alternativo, por tener como principal componente al propano; en algunas refinerías se puede obtener con 90 % de propano, no más de 5 % de propileno y 5 % de butano y otros.

b) Beneficios:

– Precio accesible.

– Disponibilidad inmediata.

– Diversificación energética.

– Desarrollo de políticas de carburantes alternativos.

– Desarrollo de políticas medioambientales.

– Desarrollo de otros carburantes alternativos.

– Cambios en la política fiscal.

c) Inconveniencias:

– Falta de infraestructura ya existente.

– Necesidad de adaptación de vehículos (conversión gasolina-GLP).

– Escaso interés de los fabricantes de vehículos.

3.5 Electricidad

a) Definición y propiedades:

La electricidad es un vector energético, que puede ser considerado como un combustible energético producido a partir de diversas fuentes de energía primaria, tales como petróleo, carbón mineral, gas natural, energía nuclear, energía hidráulica, energía eólica y energía solar. Los vehículos eléctricos (VE) son capaces de tomar energía de la red eléctrica y almacenarla en baterías recargables para su funcionamiento.

Actualmente, los vehículos eléctricos no alcanzan la autonomía y la velocidad que el resto de vehículos ofrecen. Los eléctricos no contaminan ni emiten ruido; sin embargo, la electricidad es un vector energético que puede ser obtenido de cualquier fuente primaria (combustibles fósiles, fuentes renovables, isótopo U238, etc.).

b) Beneficios:

– No produce emisiones de gases de efecto invernadero ni contaminantes del aire.

– Se puede producir electricidad a partir de múltiples fuentes, incluidas fuentes energéticas sostenibles y locales, de ello depende su precio.

– Reducción de emisiones contaminantes locales en las ciudades.

– Impulsar el desarrollo de un sistema optimizado de producción y distribución de electricidad desde fuentes renovables.

– No es una fuente de energía sino un vector energético, y como tal hay que fabricarlo y dirigirlo, consumiendo cierta energía (mayor o menor, dependiendo del proceso).

c) Inconveniencias:

– Habría que crear la infraestructura de suministro de electricidad en las carreteras.

– Habría que mejorar y abaratar las baterías.

– Habría que aumentar la autonomía del vehículo.

– Habría que reducir su costo.

3.6 Dimetiléter

a) Definición y propiedades:

Una solución económica eficiente para transportar el GN es su previa transformación en líquido, mediante la cadena de GNL o también realizando una transformación química a líquidos adecuados. El líquido que maximiza la rentabilidad económica es el metanol, por la sencillez del proceso, los reducidos costos de transformación y la existencia de importantes economías de escala. Sin embargo, su desventaja más notable es la dificultad de aumentar la demanda mundial. Se están desarrollando procesos a partir del metanol, entre ellos está el dimetiléter.

b) Beneficios:

– Mejor comportamiento medioambiental.

– Nuevo segmento en el mercado de derivados de gas natural.

– Reducción de la dependencia del petróleo.

– Necesidad de usarlo a presión, aunque no muy elevada, si se utilizara solo, dado su bajo punto de ebullición (-20 ºC).

– Puede manejarse en condiciones similares a las del GLP en estado líquido.

c) Inconveniencias:

– No es económicamente viable para precios del crudo inferiores a 30 US$/barril.

– Es necesario hacer cambios en los componentes de los motores.

3.7 Hidrógeno

a) Definición y propiedades:

El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, no tóxico y el más ligero de todos los elementos. Tiene un elevado poder calorífico en masa (120,1 MJ/Kg) y es bajo en volumen (10,7 MJ/nm3).

El proceso de producción requiere un alto consumo de energía. Sin embargo, el 90 % se obtiene reformado con vapor de gas natural (GN), ya que es más barato, pero puede utilizarse prácticamente cualquier otra fuente energética (naftas, metanol, carbón, biomasa), u obtenerse por electrolisis del agua.

El hidrógeno es un combustible potencialmente libre de emisiones, que se puede producir a partir de materia prima local. Aunque todavía no es usado ampliamente como combustible para transporte, se investiga para lograr una producción de hidrógeno limpia, económica y segura. Es el elemento más simple y abundante del universo, pero es escaso en la naturaleza y se presenta como un gas incoloro e inodoro en la atmósfera terrestre. Pero sí se encuentra combinado con otros elementos; ejemplos: agua, hidrocarburos y materia orgánica; de estas materias se planea obtenerlo para aplicarlo industrialmente y como combustible alternativo.

El hidrógeno puede mezclarse con gas natural para dar lugar al carburante denominado “hitano” (hythane). El interés por el hidrógeno es aprovechar su quemado limpio, posibilidad de fabricación local y su potencial para alta eficiencia en vehículos accionados con celdas de combustible, que permiten una eficiencia de 2 a 3 veces la eficiencia de un motor operado con gasolina.

b) Beneficios:

– Se puede producir hidrógeno a partir de múltiples fuentes, incluidas fuentes energéticas sostenibles y locales.

– El uso de hidrógeno no produce emisiones de gases de efecto invernadero ni contaminantes del aire (salvo al ser usado en motores de combustión, en que se producen ligeras emisiones de NOx).

– Hay reducción de la dependencia energética.

– Se logra el desarrollo de un sistema optimizado de producción y distribución de hidrógeno.

– No es una fuente de energía sino un vector energético, y como tal hay que fabricarlo consumiendo alta energía.

– En la actualidad se produce mundialmente una veinteava parte del hidrógeno que sería suficiente para sustituir a los combustibles alternativos.

El H2 es un vector energético tan limpio como la fuente de la que se produzca:

– Electrolisis del agua: sin emisión de CO2.

– Central nuclear: sin emisión de CO2.

– Productos biológicos: emisión neutra de CO2.

– Fuentes fósiles: con emisiones de CO2 (reducidas con técnicas de captura y confinamiento).

Las alternativas para el aprovechamiento energético del H2 son en motores de combustión y en pilas de combustible. Las emisiones en cada uno son:

– Motores de combustión: vapor de agua, bajos NOx, bajos HC.

– Pilas de combustible: vapor de agua.

c)Inconveniencias:

– Su transporte es costoso por tener una densidad energética en volumen bajo y ser un gas muy volátil.

– No existe en la actualidad una infraestructura de suministro de hidrógeno para su uso como vector energético.

– Las pilas de combustible están en fase de desarrollo.

– No se logra alcanzar un precio del hidrógeno que sea competitivo con los combustibles alternativos.

– El precio del hidrógeno puede ser muy dependiente del precio del gas natural o de la electricidad renovable.

4. COMBUSTIBLES EMERGENTES

Dentro de los combustibles emergentes se estudiarán el biobutanol, las series pentano, biometano y los combustibles sintéticos para transporte.

4.1 Biobutanol

a) Definición:

El biobutanol es butanol (alcohol butílico), fabricado con la misma materia prima para obtener el etanol, como maíz, caña de azúcar, remolacha y de otra biomasa. Generalmente usado como solvente industrial, puede ser mezclado con otros combustibles para su uso en motores tipo Otto. El biobutanol se puede usar como oxigenante, hasta un 11,5 % en volumen, en mezclas con gasolina.

La fabricación del biobutanol vía fermentación data de 1900, pero ha sido más caro que los derivados del petróleo y actualmente se produce a partir de insumos petroquímicos.

b) Beneficios:

– Se considera como una alternativa de combustible vehicular sostenible.

c) Inconveniencias:

– Una limitación es usar plantas de fermentación para producir biobutanol a partir de maíz, que es un alimento.

4.2 Series pentano

a) Definición:

La serie pentano (SP) es una mezcla de líquidos del gas natural (pentano) con etanol y metil-tetrahidrofurano (MeTHF). Los combustibles SP son transparentes, incoloros y tienen un octanaje entre 83 y 93, y pueden mezclarse con gasolina en cualquier proporción.

b) Beneficios:

– Por su limitado uso, tendrían mayor valor como aditivo.

4.3 Biometano

a) Definición:

El biometano se puede obtener a partir de la purificación del biogás (gas de pantano, gas de relleno de suelo, gas de digestión anaeróbica de materia orgánica) mediante un proceso de alta calidad de separación. Tiene un uso similar al del metano obtenido a partir del gas natural. Se puede quemar en una planta térmica para generar electricidad y energía térmica, además de accionar motores de combustión interna de vehículos automotores (como biometano vehicular). Puede ser considerado como un sustituto del gas natural seco comprimido.

El biogás contiene en promedio de 50 a 80 % de metano y de 20 a 50 % de dióxido de carbono, además de hidrógeno, monóxido de carbón y nitrógeno en muy baja proporción. Comparativamente, contiene menor concentración que en el gas natural; en algunos países de Europa lo emplean en vehículos con motores a gas natural, en tanto que en Norteamérica se emplea en menor proporción.

•Fuentes de biogás

Los rellenos sanitarios presentan la mayor fuente de emisiones de metano relacionadas con actividad humana.

La recuperación de biogás de las actividades de ganadería, puede ser viable por ratio beneficio/costo. El estiércol animal puede ser recogido para su procesamiento en un digestor anaeróbico. También se puede obtener biogás de actividades avícolas, porcinas y de lecherías con indicios de viabilidad económica.

•Distribución

La refinación del biogás producirá el biometano; para su distribución empleará una infraestructura muy similar al sistema de tuberías y estaciones, tal como se aplica a la distribución de gas natural. Las etapas de refinación comprenden absorción, adsorción, separación por membrana o separación criogénica, para aumentar la concentración de metano y reducir la del dióxido de carbono y de otros contaminantes.

b) Beneficios:

– Produce menos emisiones en comparación con el uso de la gasolina.

– Evita el metano en la atmósfera, que tiene un efecto de gas invernadero veintiún veces mayor que el efecto del dióxido de carbono.

– Incrementa la seguridad energética y es viable económicamente al reducir el costo del cumplimiento de la normatividad vigente respecto al gas de relleno sanitario.

La producción de biogás mediante la digestión anaeróbica, reduce la masa y olores ofensivos de los rellenos sanitarios, requiriendo menor área de operación comparable al proceso de compostaje aeróbico. Al quemarse el biometano se produce dióxido de carbono, que puede ser capturado y licuado para su empleo como nutriente en cultivos de vegetales y de microalgas.

4.4 Combustibles sintéticos para transporte

a) Definición:

Los combustibles sintéticos para transporte (CST) se producen mediante procesos de conversión, incluyendo los métodos Fischer-Tropsch (FT), a partir de materia prima carbonosa tal como biomasa, carbón mineral, gas natural. Los CST pueden obtenerse como gasolina, diésel, etanol y metanol.