Aspectos ambientales vinculados al biodiesel

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1 Curso de Biodiesel. Maestría en Energía. Facultad de Ingeniería Tema 9 ASPECTOS AMBIENTALES Aspectos ambientales vinculados al biodiesel A ESCALA GLOBAL Dr. Iván Jachmanián ijachman@fq.edu.uy Laboratorio de Grasas y Aceites Facultad de Química. Universidad de la República. Montevideo. Uruguay. EN EL CONTEXTO LOCAL Calentamiento global CONSECUENCIAS AMBIENTALES DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES Aumento neto del CO 2 atmosférico: Aumento neto del CO 2 atmosférico Quema de combustibles fósiles calentamiento global (efecto invernadero). Emisiones contaminantes (lluvia ácida). Extracción agresiva para la superficie terrestre Fusión de hielos polares (aumento de nivel, enlentecimiento de corrientes marinas). Acidificación de mares. Efecto invernadero y calentamiento global Espectro de radiación solar UV VISIBLE INFRARED = VISIBLE ENERGÍA RECIBIDA ATMÓSFERA = ENERGÍA EMITIDA INFRARROJA SUPERFICIE ATMOS 1

2 Balance energético 235 W/m Irradiada directamente (8.1%) 67 (30%) ATMÓSFERA (70%) EFECTO INVERNADERO SUPERFICIE 14ºC ATMÓSFERA Transparente a la radiación solar Opaca a la radiación térmica Incremento del CO 2 atmosférico gases de efecto invernadero efecto de apantallamiento temperatura superficial Principales gases de efecto invernadero Evolución de la temperatura global media Gas Preindustrial Actual Aumento desde 1750 Efecto radiante (W/m2) CO ppm 384ppm 104 ppm 1.46 CH ppb ppb ppb 0.48 N 2 O 270 ppb 314 ppb 44 ppb 0.15 CFC ppt 533 ppt 0.17 Climatic Research Unit of the University of East Anglia and the Hadley Centre of the UK Meteorological Office the zero on this figure is the mean temperature from

3 Comparativo: a La banquisa o hielo marino Capa de hielo flotante que se forma en regiones polares y que fluctúa con las estaciones. Características Espesor variable: Fluctuante: 1 metro Persistente: 4-5 metros (a veces 20m) Antártica: Setiembre: 18.8 millones de Km 2 Marzo: 2.6 Ártica: Setiembre: 15.0 Marzo: 6.5 Reducción gradual en los ciclos de verano. Impactos de la disminución de las banquisas Efecto sobre la biota marina y cadena trófica (osos polares, peces, focas, crustáceos, algas, etc.) Efecto sobre el albedo planetario (proporción de radiación devuelta al espacio) Enlentecimiento de las corrientes oceánicas. Corrientes oceánicas: circulación thermohalina Alternativas: Energía atómica Uso de energías renovables 3

4 La cantidad de CO 2 producido varía con el tipo de combustible: Ciclo básico del carbono asociado al biodiesel Carbón: 97 kg CO 2 / millón de kj BIODIESEL CO 2 Combustión Petróleo: 69 kg CO 2 / millón de kj Fabricación Fijación Gas natural: Biomasa: 54 kg CO 2 / millón de kj 86 kg CO 2 / millón de kj!! ACEITE Extracción Este ciclo no implicaría aumento neto del CO 2 atmosférico. Fijación de CO 2 : Fotosíntesis Combustibles fósiles: liberan energía solar acumulada hace miles o millones de LUZ 6 CO H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 años. Combustibles renovables: liberan energía solar acumulada recientemente. Evolución del consumo energético global Consumo energético en 2005 TOTAL: TWh 86.5% de origen fósil 1 TW (teravatio) = w 4

5 EVALUACIÓN MEDIOAMBIENTAL DEL BIODIESEL La utilización del biodiesel obtenido de aceites vegetales en motores constituye el método más simple, conveniente y viable de que hoy se dispone para, en última instancia, transformar energía solar en energía mecánica. Ciclos agrícolas Fijación de C en colza 17-19% del CO 2 se transfiere a la raíz (2 semanas) De éste: 23-24% es devuelto a la atmósfera vía respiración, como CO % se libera al suelo, de éste: 35-51% es descompuesto por mo % es transferido nuevamente a la raíz Por lo tanto se retira de la atmósfera más CO 2 que el que es acumulado en la biomasa de planta El biodiesel se considera ambientalmente amigable : Ciclo del carbón (para un rendimiento de 2240 Kg/há de colza) Es neutro respecto al CO 2 No produce emisiones sulfurosas Sin embargo, a diferencia del petróleo, su producción involucra: Uso de pesticidas Uso de fertilizantes (nitratos, fosfatos) Área destinada a la siembra de oleaginosas. Consumo de combustible (siembra, cosecha, transporte) Emisiones de NO x superiores a las del diesel 5

6 La evaluación requiere un balance global del ciclo de vida del combustible LCA (Life Cicle Assessment) Cómo se evalúa globalmente un ciclo tan complejo? Desarrollado para comparar el impacto ambiental de una fuente de una energía renovable con aquella no renovable que se pretende sustituir. Considera impacto sobre medioambiente y salud humana. No considera aspectos sociales o económicos. Base de comparación: igual cantidad de energía producida. Método normalizado (ISO ) LCA análisis etapas: 1 Etapas 1 y 2 del LCA: Objeto e Inventario Combustible fósil Objetivo Fronteras Globalidad Insumos Emisiones 1 - Definición del objeto 2 - Análisis de inventario Interpretación ENERGÍA FÓSIL EQUIPAMIENTO Búsqueda Extracción Transporte EMISIONES Normalización Categorización 3 - Evaluación de impacto MATERIAS PRIMAS Refinación Transporte Combustión Combustible Semillas Biodiesel 2 Etapa 3 del LCA : Impacto ENERGÍA FÓSIL EQUIPAMIENTO Fertilizantes Producción agrícola Transporte Extracción del aceite Pesticidas Miel, cera de abeja, etc. Torta Créditos Barbecho Productos convencionales Proteína y aceite EMISIONES Tablas de categorías y equivalencias: normalizan todas las variables MATERIAS PRIMAS Proceso Transporte Glicerol Combustión 6

7 Resultado (ejemplo: colza) Etapa Demanda de energía fósil (MJ/Kg) Eq. CO 2 (g/kg) NO x (g/kg) Eq. SO 2 (g/kg) Fabricación 11, ,474 17,441 Insumos 13, ,219 1,830 Biodiesel Uso de energía fósil 0, ,384 7,437 Créditos -31, ,998-10,467 TOTAL -6, ,079 16,241 Insumos 4, ,649 1,825 Gasoil Uso de energía fósil 42, ,190 8,101 TOTAL 47, ,839 9,926 Biodiesel - Gasoil -54, ,204 6,316 Demanda de recursos Gases de efecto invernadero Gases de efecto sobre capa de ozono Acidificación Eutrofización Ventajas Ahorro de energía fósil menos emisiones Desventajas Consumo de recursos minerales Más N 2 O Mayor (P+S) Aguas superficiales Conclusiones, para cualquier biodiesel frente al gasoil: VENTAJAS: - Preservación de energía fósil - Menor producción de gases de efecto invernadero - Menores emisiones de SO 2 Salud humana Menor SO 2 Menos emisiones particuladas Menor polución oceánica (extracción, transporte) Menor polución por derrames (stock) Menor toxicidad, mejor biodegradabilidad Pesticidas en agua superficial Nitratos en agua subterráneas DESVENTAJAS: - Más emisiones de NO x (efecto negativo sobre capa de ozono) - Más emisiones acidificantes (P+S) - Mayor riesgo de eutrofización - Smog y ozono (no es claro) Resultado final? - Depende de la relevancia ecológica que se le dé a los diferentes parámetros. - USA, Europa: Preservación de energía fósil y gases de efecto invernadero, son los parámetros más relevantes. - Necesidad de una evaluación del tipo LCA para cada escenario particular y para cada tipo de cultivo. Biodiesel de diferente origen GJ energía fósil ahorrada / há Girasol Colza Canola Coco Soja Ton Eq. de CO 2 ahorradas / há Energía fósil Efecto invernadero 7

8 ASPECTOS AMBIENTALES EN EL CONTEXTO LOCAL A ESCALA GLOBAL Emisiones de escape EN EL CONTEXTO LOCAL Parámetros a controlar 1. Óxidos de nitrógeno (NO x ) 2. Material particulado (PM) 3. Monóxido de carbono (CO) 4. Hidrocarburos totales (HC) 5. Metales pesados (Pb) 6. Azufre (SO 2 ) En general mayores para vehículos a nafta Despreciable frente a gasoil 1.- Óxidos de nitrógeno (No x ) Se producen a las altas temperaturas del motor: NO (óxido nítrico)- lluvia ácida, capa de ozono NO 2 (dióxido de nitrógeno)- capa de ozono, tóxico por inhalación. N 2 O (óxido nitroso)- usado como anestésico, gas de efecto invernadero (3º en importancia) Producido por bacterias, desechos animales, uso de fertilizantes con N. Otros: N 2 O 3, N 2 O 4, N 2 O Material particulado (PM) 3.- Monóxido de carbono (CO) La EPA (Environmental Protection Agency) define como sólidos o condensados que colectan en un filtro adecuado a menos de 52ºC: Carbón. Derivados del aceite lubricante o del combustible. Aerosoles de ácido sulfúrico. - Producido por combustión incompleta. - Reduce la capacidad de transporte de oxígeno en sangre. - Especialmente peligroso para personas con enfermedades cardiovasculares. 8

9 4.- Hidrocarburos (HC) Reducción de emisiones en vehículos en general Fracción constituida por combustible sin quemar. Contribuye al smog urbano. Tóxico: hígado, compuestos carcinógenos. 1. Aumento de eficiencia de motores 2. Aumento de la eficiencia del vehículo 3. Mejoramiento de calidad de emisiones 1.- Aumento de eficiencia de motores Encendido electrónico Sistema de inyección Unidad de control electrónica 2.- Aumento de la eficiencia del vehículo Diseño más liviano Mejora aerodinámica Disminución resistencia de ruedas Mejora eficiencia de trasmisión de potencia Aumento de la potencia de bujías Freno regenerativo 3.- Mejoramiento de calidad de emisiones Inyección de aire en emisión (1966) Recirculación de gases (reduce NO x ) Filtros conversores catalíticos (incompatible con Pb) Comparativo emisiones gasoil y biodiesel - Vehículos de carga pesada - Diferencia en la emisión (%) Biodiesel (%) HC PM NO x CO Ref.: US-EPA420-P , Analisys of biodiesel impacts and exhaust emissions,

10 Aumento de NOx cuando se usa biodiesel Comparativo emisiones gasoil y biodiesel - Vehículos de carga pesada - Se asocia a diferencias en sus propiedades con las del gasoil, que produce un adelantamiento del tiempo Contaminante NO x PM B20 - gasoil (%) No se considera valor crítico de inyección. CO HC Ref.: US-EPA420-P , Analisys of biodiesel impacts and exhaust emissions, 2002 Efecto del índice de iodo sobre las emisiones de NO x 7,5 7,0 Biodiesel Efecto de aditivos (mejoradores de CN) 6,8 6,6 2-EHN DTBP No x (g/kw.h) 6,5 6,0 Gasoil No x (g/kw.h) 6,4 6,2 REFERENCIA 5, Indice de Iodo Sebo vacuno, Palma Ref: Mc Cormic et al, Environ. Sci. Technol, 35: (2001) 6,0 0,0 0,5 1,0 1,5 DTBP o EHN (%v) 2-EHN: nitrato de 2-etil hexilo DTBP: peróxido de di-tert-butilo Ref: Mc Cormic et al, SAE Technical paper nº (2002) Estrategias para mejorar emisiones de NOx 1. Retardo en el tiempo de inyección. 2. Autorregulación de inyección en función de composición del combustible (con sensor específico). 3. En general la mejora del NOx implica aumento de PM. 4. Grado de insaturación del material graso. 5. Aditivos: - Mejoradores del CN EVALUACIÓN AMBIENTAL DEL BIODIESEL EN EL CONTEXTO LOCAL: - Mejora del aire en ciudades (control NOx). - Mayor biodegradabilidad. A ESCALA GLOBAL: - Ahorro de energía fósil. - Menor emisión de gases de efecto invernadero. - Varios impactos negativos a considerar. 10