Ventajas y desventajas del uso de Biocombustibles en motores de combustión interna PDF

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Un informe donde se mencionan ventajas y desventajas de utilizar diferentes tipos de biocombustibles en los diferentes tipos de motores de combustión interna. ...

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Ventajas y desventajas del uso de Biocombustibles en motores de combustión interna (MCI)

Resumen: Introducción: Podemos empezar hablando de los biocombustibles y de cómo estos pretenden disminuir las emisiones de GEI, procesos de obtención básicos y el efecto que tiene en los MCI. Hablar sobre la importancia de conocer tanto las ventajas como desventajas. Biocombustibles en los MCI Se hablará más profundo que en la introducción, dejando ver que adecuaciones, leyes y factores importantes debemos tomar a la hora de utilizar biocombustibles en MCI, haciendo ver la diferencia en cuanto se utilicen en MCI de compresión o encendido por chispa. Ventajas: Aquí podemos hablar de todo tipo de ventajas, ya sean técnicas o medio ambientales, mencionar los avances positivos en cuestión de producción y demás. Nuevas metodologías que no afectan al sector alimenticio. Desventajas: Mencionaremos las desventajas principales como el alto impacto en terrenos para la producción, emisiones en el proceso de producción, detractores principales, hambruna, alza en los productos alimenticios usados. (en la parte de ventajas y desventajas, se van a ir subdividiendo de acuerdo al tipo) -Ventajas Ambientales Resultados obtenidos en pruebas: Mostraremos gráficas y resultados de los diferentes documentos que muestren tanto ventajas como desventajas Últimos Avances Mostraremos los últimos avances que se tiene en cuanto a producción y aprovechamiento de los biocombustibles, nuevas leyes y normas que regulen su uso, entre otros avances importantes. LINK: file:///C:/Users/Anthony/Downloads/los%20biocombustibles%20en%20chile%20principales%2 0avances%20jose%20antonio%20ruiz%20f.pdf http://www.expansion.com/2010/02/15/empresas/energia/1266237304.html http://www.dforcesolar.com/energia-solar/ventajas-y-desventajas-de-los-biocombustibles/

Introducción Uno de los principales problemas en la actualidad es el cambio climático donde uno de los principales causantes son los motores de combustión interna con sus emisiones de gases de efecto invernadero provocadas principalmente por el uso de combustibles fósiles, por lo que grandes potencias como Estados Unidos, Brasil y países de Europa han apostado por tomar medidas para contrarrestar o disminuir este efecto utilizando biocombustibles como reemplazo o en mezclas, donde los gases resultantes de la combustión son menos perjudiciales para el medio ambiente, pero estos traen consigo problemas éticos asociados a la crisis alimenticia ya que principalmente se obtienen a base de productos de consumo humano. Uno de los principales biocombustibles es el biodiesel, que como se mencionó anteriormente trae problemas éticos medioambientales que los detractores de esta tecnología aprovechan para criticar, por lo que las nuevas tecnologías apuntan más a utilizar materia prima que no interfiera con la seguridad alimentaria y que a su vez se logre aprovechar más el terreno. Una de las principales plantas por la que se está apostando es la Jatropha y la Higuereta ya que estas no forman parte de los alimentos del ser humano y que su vez dan mayor rendimiento por hectárea de biodiesel.(1)(Sarin R., Sharma M., Sinharay S., Malhotra R.K. Jatropha-Palm Biodiesel blends. An optimum mix for Asia. Fuel. 84. 2007. 1365-1371.) el uso de biocombustibles trae con sigo la desventaja de que el motor diesel al tabajar con este combustible presenta una disminución en la potencia debido al menor poder calorifico. esto es totalmente contrarrestado con el hecho de ser un recurso renovable y su magnifico impacto con el medio ambiente(2)( Demirbas A. Biodiesel. A realistic fuel alternative for diesel engines. Springer-Verlag. Londres. 2008. ). otro aspecto a tomar en cuenta es que la utilización del biodiesel trae con sigo problemas de desgaste y en los depositos de los inyectores(3) (Agarwal A.K., Bijwe J., Das L.M. Effect of biodiesel utilization of wear of vital parts in compression ignition engines. Transactions of the ASME. 125. 2003. 604-611. )

otra medida para tratar de contrarrestar las emisiones es el uso de biogas en motores de combustión interna encendidos por chispa. desde los años ochenta, Colombia a optado por la instalación de forma masiva de biodigestores para la producción de biogas y abono de buenisima calidad a partir de la descomposición aneróbica de residuos orgánicos procedentes de la industria agrícola(4) Autores Juan Miguel Mantilla Gonzalez, borys Javier Aguirre Junco y Luis Andres Sarmiento Pinilla, Evaluación experimental de un motor encendido por chispa que utiliza biogás como combustible, online 23 junio-2008). la utilización de este combustible se da desde los años setenta debido a la crisis energética. por otro lado, el bioetanol al ser de caracteristicas similares a la gasolina, se utiliza en reemplazo o en mezcla con esta, haciendo que la combustion sea mas limpia. Para evitar el uso de materia prima de consumo humano, el proceso de obtencion de bioetanol a partir de gas de sintesis, han salido a la luz, apollado con su bajo costo de produccion comparado con los otros metodos. ademas el gas de sintesis que se obtiene a partir de la biomasa presenta ventajas con respecto a su produccion, debido a que se puede utilizar una muy amplia gama de biomasa que sera transformada termoquimicamente mediante la gasificacion, con lo que se dispone de mucha materia prima.(Kumar, A., Jones, D. D., Hanna, M. A. (2009). Thermochemical biomass gasification: a review of the current status of the technology.Energies, 2(3),pp. 556-581. doi:10.3390/en20300556).

a la hora de utilizar biocombustibles en MCI ya sea en mezclas o puros, se debe tener en cuenta que existen tanto ventajas como desventajas que serán presentadas a continuación mediante resultados experimentales, además de esto ver las comparaciones que existen en el funcionamiento del MCI ya sea utilizando combustibles fósiles o con los distintos biocombustibles(biodiesel, biogás, etanol). el objetivo del presente trabajo es realizar una compilación de informacion de distintos articulos sobre el uso de biocombustibles en MCI con el fin de expresar claramente las ventajas y desventajas de su uso, mostrar cuantitativamente el desempeño de MCI con diferentes mezclas de biocombustible y mostrar una vision a futuro de lo bueno y malo que conlleva el uso de esta tecnoligia.

Comparación en el uso del Diesel y Biodiesel en motores de Combustión interna- encendidos por compresión Para la obtención de los datos, a través de los cuales vamos a realizar dichas comparaciones en el motor de combustión interna se utilizaron dos motores cuyas características se muestran en la tabla 1. dichos motores reciben el nombre de motor A y motor B. el motor A utiliza biodiesel procedente de aceite de soja y diesel. mientras que para el motor B fueron utilizados dos tipos de biocombustibles uno utilizando aceite de palma y el otro con aceite de colza. Este documento busca analizar distintas características como por ejemplo el consumo de combustible el cual se realizó con el método gravimétrico, otra característica son las emisiones las cuales fueron medidas con un analizador de gases con capacidad de medición entre 0 y 3000 ppm. dicho analizador se acoplo al motor B y logra medir emisiones como CO,Co2 Nox, HC, O2. también se realizaron pruebas para obtener la viscosidad dinámica y la densidad para la obtención de los datos de viscosidad se utilizó un viscosímetro RION VT 03-F con un vaso metálico para la muestra de 460 mL de capacidad y la densidad fue analizada a través de un picnómetro estándar de 25 mL de capacidad. tabla 2 para la obtención de las características de velocidad en el motor A, Trabajando con velocidades diferentes en diesel y biodiesel se logra obtener valores como potencia efectiva(Ne) en Kw, torque efectivo en (Me) en Nm y consumo específico de combustible (ge) en g/kW-h. a continuación se muestra dos figuras donde se muestran dichas características mencionadas anteriormente trabajando con combustible Diesel y BD- soya. FIGURA 1 Y FIGURA 2 Lo que podemos percatarnos de dichas figuras es que debido al aumento de las rpm asimismo aumentan los parámetros que estamos analizando, con excepción del torque que también aumenta con el incremento de las rpm pero solo hasta llegar a su máximo(2000rpm) ya que después de llegar a este valor comienza a decaer drásticamente.(Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill. 1988.).[6] en el caso del consumo de combustible podemos percatarnos que su mínimo se encuentra alrededor de 2000 rpm. para el torque y el consumo de combustibles los resultados obtenidos en las gráficas son prácticamente similares sin importar el tipo de combustible. Con respecto al consumo específico de combustible con referencia a lo obtenido en las figuras se puede apreciar que a medida que se aumentan las rpm se logra una disminución de dicho consumo. Esto se logra debido a una mejora en el proceso de combustión, pero luego dicho consumo comienza a elevarse hasta llegar al nivel máximo de eficiencia indicadora y eficiencia mecánica, esto debido a que el proceso de combustión comienza disminuir gracias a un empeoramiento de la obtención de la energía calorífica. Tal no es el caso para el momento efectivo que en el motor trabajado con biodiesel soja se presenta una pérdida de alrededor de 17% en comparación con el de Diesel. es evidente que de acuerdo al tipo de combustible que se trabaje este va a ejercer influencia sobre las características indicadoras ya que este puede provocar variación de ciertos parámetros como es el caso de capacidad de evaporación, inyección, atomización y la inflamabilidad.(R. Piloto Rodríguez*, R. Sierens**, S. Verhelst**, N. Ferrer Frontela.(2008,julio). Evaluación del funcionamiento de motores de combustión interna trabajando con biodiesel.(online). disponible:https://www.researchgate.net/publication/26850851_Evaluacion_del_funcionamiento_de_ motores_de_combustion_interna_trabajando_con_biodiesel). (7) para el caso de la potencia efectiva estos valores no cambian o tienen una pequeña diferencia esto se da debido a que la potencia es un parámetro que depende del torque y la velocidad del motor.

entonces a partir de la velocidad a torque máximo observamos que una disminución del torque no afecta a la potencia efectiva ya que se compensa con un aumento en la velocidad. con esto concluimos que si utilizamos biocombustible de soja tendremos una disminución en la potencia efectiva en comparación con el que utiliza Diesel. En el Caso de las emisiones mencionadas anteriormente se hicieron comparaciones entre los dos motores utilizando diesel y biocombustibles las cuales fueron las siguientes. Para emisiones de Nox presentes en el motor A se ven evidenciadas en la figura 4 en donde no existen diferencias entre estas dos figura 4 En el caso de emisiones de Nox para el motor B las cuales se aprecian en la figura 7. Donde se percata que en comparación con el motor A en este si se nota una diferencia en las emisiones ,esto . debido a que el biodiesel por su mayor índice de cetano debe tener un menor retardo de ignición, por tanto su proceso de combustión comienza más rápido y debe alcanzar mayores temperaturas en la cámara de combustión, lo cual favorece a la formación de NOx. figura 7 En cambio en la figura 6 se observa el análisis de las emisiones de inquemados (HC) en el motor B en donde se demostró que dichas emisiones serán mayores siempre que se trabaje con biodiesel. Por otro lado las emisiones de CO2 y O2 no mostraron diferencias entre los combustibles analizados. figura 6

En el caso de la figura 8 nos presenta emisiones de CO en las cuales ocurre todo lo contrario a las de HC. en donde la mayor cantidad de emisiones de CO se da cuando se trabaja con biodiesel. figura 8

Comparación del uso Bioetanol y gasolina en MCI-Encendido por chispa El bioetanol pertenece a los biocombustibles de primera y segunda generación, el cual podemos utilizar en MCI de encendido por chispa en estado puro o combinado con gasolina, teniendo como gran ventaja que al utilizarlo el motor no requiere de grandes modificaciones para que este siga funcionando adecuadamente. Apoyado a la reducción de emisiones contaminantes, está la gran producción que se da de bioetanol a nivel mundial, siendo Brasil y Estados Unidos los dos grandes productores. El gobierno colombiano es otro de los que ha tomado parte en el uso de biocombustibles, reglamentando el uso de una mezcla de 10% de etanol y 90% de gasolina en volumen(E10), razón por la que se producen 1200000 litros diarios.[8] (Fedebiocombustibles (2010). En: http://www.fedebiocombustibles.com/nota-webid-923.htm.) A. Desempeño utilizando diferentes mezclas A continuación, se presentarán diferentes investigaciones sobre el desempeño de los MCI de encendido por chispa cuando se utiliza bioetanol mezclado con gasolina. En la investigación realizada por Costa y Sodré .[9] (Costa, R., Sodré, J. (2011). Compression ratio effects on an ethanol/gasoline fuelled engine performance. Applied Thermal En-gineering, 31, pp. 278-283. doi:10.1016/j.applthermaleng.2010.09.007) donde utilizaron bioetanol hidratado en estado puro y en una mezcla E22 (22% de etanol). Utilizaron para este experimento un motor con una cilindrada de 1L, inyección directa, refrigerado por agua, donde variaron la relación de compresión de 10:1 hasta 12:1 para un conjunto distinto de velocidad de rotación. Con este experimento demostraron que con ambos combustibles tanto el torque como la potencia de salida aumentan al utilizar una relación de compresión de 12:1; además demostraron que cuando se usó bioetanol puro, la potencia aumenta en un 3,1% y el torque en 1,6% con respecto a la mezcla E22. En cuanto al consumo especifico de combustible, disminuye en cuanto la relación de compresión aumenta, teniendo en cuenta que la menor disminución se da en el bioetanol puro. La eficiencia térmica fue mayor utilizando una relación de compresión de 12:1, sin embargo, la eficiencia volumétrica presentó mejores resultados en relaciones de compresiones bajas en ambos tipos de combustible. La investigación de Hüseyin et al. [10] (Yücesu, H., Topgül, T., Cinar, C., Okur, M. (2006). Effect of ethanol–gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in different compression ratios. Applied Thermal Engineering, 26, pp. 2272–2278. doi:10.1016/j.applthermaleng.2006.03.006) sobre los parámetros de desempeño en un MCIencendido por chispa mono cilíndrico, de inyección directa, de la marca Hydra, operándolo en mezclas de E0, E10, E20, E40 y E60, donde variaron la relación de compresión de 8:1 a 13:1, donde se encontró un aumento de un 8% en el torque con un E0 a 2000 rpm, si lo comparamos con una relación de compresion de 8:1, resaltando que con relaciones de compresión más altas, el aumento en el torque de salida no es notable. Con mezclas E40 y E60, se vio un aumento de 14% del torque cuando se usa una relación de compresión de 13:1 comparado con una de 8:1. En cuando al consumo especifico de combustible, se tiene una reducción del 15% con la mezcla E40 a 2000 rpm y con E60 a 3000 y 5000 rpm se tuvieron reducciones en el consumo de 14,5 y 17% respectivamente. Rong-Hong et al. [11] (Hsieh, W., Chen, R., Wu, T., Lin, T. (2002). Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol–gasoline blended fuels. Atmospheric Environment, 36, pp. 403-410. doi:10.1016/S1352-2310(01)00508-8) realizaron pruebas con mezclas E0, E5, E10, E20 y E30, con un MCI encendido por chispa de marca New Sentra

GA16DE con una cilindrada de 1.6L, con inyección multipunto y una relación de compresión de 9,5:1. Se encontró que el torque es ligeramente menor con E0 comparado con las demás mezclas, especialmente para aperturas bajas de mariposa (menor de 20%) o en velocidades altas del motor (mayor de 4000 rpm). Por otro lado, el consumo especifico de combustible permanece casi constante a velocidades bajas (entre 1000 y 2000 rpm) con apertura de mariposa menor a 20%. Celik. [12] (Celik, M. (2008). Experimental deter-mination of suitable ethanol–gasoline blend rate at high compression ratio for gasoline engine. Applied Thermal Engi-neering, 28, pp. 396404. doi:10.1016/j.applthermaleng.2007.10.028) evaluó mezclas de gasolina-bioetanol de E0, E25, E50, E75 y E100, en un MCI- encendido por chispa marca Lombardi LM 250, de carburador con relación de compresión de 6:1 y 10:1 a velocidad constante de 2000 rpm. En esta investigación se encontró que la mezcla ideal para obtener la potencia de salida mayor y las emisiones más bajas de THC (total de hidrocarburos por sus siglas en inglés) es la E50; aumentando la potencia en un 29% con la relación de compresión mayor, en comparación con E0; así como también el consumo especifico de combustible se reduce en un 3% en estas mismas condiciones. Las pruebas realizadas por Eyidogan et al. [13] (Eyidogan, M., Ozsezen, A., Canakci, M., Turkcan, A. (2010). Impact of alcohol–gasoline fuel blends on the performance and combustion characteristics of an SI engine. Fuel, 89, pp. 2713-2720. doi:10.1016/j.fuel.2010.01.032) en un dinamómetro de rodillos con dos condiciones de velocidad (80 y 100 km/h), en un motor enfriado por agua, inyección multipunto y una cilindrada de 1.396L, con relación de compresión de 10,4:1; se utilizaron mezclas de E5 y E10. Encontraron que a 80 Km/h para E5 y E10 el consumo especifico de combustible aumento en un 2,8 y 3,6% respectivamente en comparación en E0; a velocidad de 100 km/h aumentaron en 0,2 y 1,5% y se dio un aumento en la eficiencia térmica de 1,9 y 2,5% respecto a E0. Costa y Sodré [14] (Costa, R., Sodré, J. (2010). Hydrous ethanol vs. gasoline-ethanol blend: Engine performance and emissions. Fuel, 89, pp. 287-293. doi:10.1016/j.fuel.2009.06.017) realizaron investigaciones con etanol hidratado puro y una mezcla de E22 en un MCI encendido por chispa con cilindrada de 1L, con relación de compresión de 12:1 y refrigerado por agua. Se encontró que, a velocidades por debajo de 3250 rpm, la mezcla E22 presentaba reducción en el torque respecto a cuándo se usó bioetanol hidratado. Cuando se superaban las 4000 rpm, el bioetanol puro presento mejores resultados en torque y presión media efectiva al freno, también se obtuvo un aumento de 3,7% en la potencia en comparación con el E22 para velocidades superiores a las 5000 rpm. En cuanto a la eficiencia térmica, se obtuvieron mejores valores usando bioetanol puro en todo el rango de velocidades utilizadas, siendo el 14,1% al aumento máximo. Park et al. [15] () en la investigación utilizaron Park, Ch., Choi, Y., Kim, Ch., Oh, S., Lim, G., Moriyoshi, Y. (2010). Performance and exhaust emission characteristics of a spark ignition engine using ethanol and ethanol-reformed gas. Fuel, pp. 2118-2125. doi:10.1016/j.fuel.2010.03.018un MCI encendido por chispa de 0.494L, de inyección multipunto con relación de compresión 10:1, el cual operaron con una mezcla E85 y E0 a dos velocidades (1500 y 2000 rpm) donde encontraron que a ambas velocidades de rotación, la eficiencia térmica es mayor para el E85. A continuación, se presenta una tabla con el resumen de las investigaciones.

Comparación con respecto a la gasolina (%) Mezcla E22 E40 y E60 E5, E10,E20 y E30

E25, E50, E75 y E100 E5 y E10 E22

consumo especifico disminuye 2,7% disminuye 15% casi constantes a bajas rpm

disminuye 3%

Torque

Potencia

aumenta aumenta 1,6% 3,1% aumenta 14% mayor para aperturas de mariposa menor a 20% aumenta 29%

aumento entre 0,85 y 3,2% aumento 3,7%

Eficiencia Térmica aumenta 2,5%

aumento entre 1,9 y 2,5% aumenta 14,1%

B. Emisiones al operar con diferentes mezclas

Una de las principales desventajas de los MCI son las emisiones contaminantes producidas en la combustión. Aunque las emisiones reguladas (HC, CO, NOx, entre otros) son las más estudiadas, nuevos estudios apuntan a que las emisiones no reguladas como los aldehídos son altamente perjudiciales para la salud humana. [16] (Costagliola, M. A., De Simio, L., Iannaccone, S., Prati, M. V. (2013). Combustion efficiency and engine out emissions of a S.I. engine fueled with alcohol/gasoline blends. Applied Energy, 111, pp. 1162-1171. doi:10.1016/j.apenergy.2012.09.042)...