Producción y Uso de Aceites Vegetales y Biodiesel en Ecuador Alfredo Barriga R, PhD, ESPOL abarriga@espol.edu.ec

Transcripción

1 Producción y Uso de Aceites Vegetales y Biodiesel en Ecuador Alfredo Barriga R, PhD, ESPOL abarriga@espol.edu.ec Antecedentes El uso de combustibles fósiles en Ecuador ha estado en constante aumento en las recientes décadas. En particular su uso en vehículos ha crecido tanto por el aumento del parque automotor como por el hecho que los combustibles fósiles presentan un subsidio en el país. Los principales combustibles en motores vehiculares en Ecuador provienen del petróleo fósil y son la gasolina, en vehículos livianos, y el diesel en vehículos pesados. En el mundo moderno se empieza a utilizar bio-etanol en diversas mezclas con gasolina (puede usarse hasta 10-15% de etanol sin alterar el vehiculo), mientras que en los motores a diesel empieza a usarse mezclas con biodiesel. Los países europeos hablan ya de un nivel de re-emplazo de biodiesel de hasta un 20% en el diesel fósil. En Ecuador, se incorporo en las políticas nacionales el apoyo al uso de bio-combustibles por medio del Decreto Ejecutivo 2332, Registro Oficial 482, 15 Diciembre En el se declara de interés nacional la producción, comercialización y uso de bio-carburantes como componentes de los combustibles que se consumen en el país, y se crea el Consejo Consultivo de Bio-combustibles. Sin embargo, y a pesar de proyectos planteados, no se ha cristalizado hasta la presente (noviembre 2007) proyecto alguno. En el presente análisis se hace referencia a la obtención de aceite a partir de productos de cultivos como el Piñón (Jatropha curcas), y la subsiguiente producción de biodiesel. Definición Biodiesel se compone de los Esteres Etilicos o Metilicos de Acidos Grasos obtenidos a partir de aceites vegetales o aceites animales. En Ingles se denominan Fatty Acide Ethyl Ester o Fatty Acid Methyl Ester. En general, deben cumplir especificaciones contenidas en un standard del American Society for Testing and Materials, ASTM D6751. Para el caso de biodiesel de palma africana, se lo define como esteres mono alkyl de ácidos grasos de cadena extensa originados del aceite de la palma aceitera, que cumple con las condiciones del estandar ASTM D6751 para uso en motores a compresión. Materia Prima Puede usarse como materia prima tanto aceites vegetales puros (pure vegetable oil PVO, straight vegetable oil SVO), o aceites vegetales residuales (waste vegetable oil WVO). Para el segundo caso, la presencia de restos impone se filtre este aceite antes de proceder a la transesterificacion. En la práctica, los siguientes aceites vegetales pueden utilizarse: - Palma Africana - Girasol - Soya

2 - Colza - Piñón (Jatropha curcas) El uso de aceites vegetales comestibles para uso en motores introduce el debate de combustible versus alimento, a considerarse. Otro factor de importancia es la modificación de precios de productos alimenticios por el uso adicional como combustible. Así, en la parlancia agrícola local ya se habla de etano-inflación para referirse al aumento de precio de productos de la caña de azúcar y de maíz por efectos de la demanda de etanol en el mercado mundial. En el Ecuador se utilizo la higuerilla (Ricinus communis), de la que se extrae el castor oil, como lubricante de aviación en la época de la WWII. Esta retornando el uso de lubricante. La fabricación de biodiesel en Ecuador a nivel industrial se hace a partir principalmente de palma africana, existiendo uno de las plantas mas grandes de América Latina para fabricación de biodiesel de palma africana en la ciudad de Manta, Ecuador. La producción total de aceite de palma africana en ecuador es de TM por año para 2006, o sea aproximadamente el 1% de la producción mundial a partir de este producto. Motor a Diesel El motor a diesel es de combustión interna de encendido por compresión. El combustible ingresa al motor por medio de inyectores que lo convierten de una corriente liquida a una nube de finas gotillas que se evaporan e inflaman por efecto de la presión en las cámaras (cilindros) del motor. El combustible (diesel) debe cumplir por tanto con ciertas condiciones, en particular en la densidad, el poder calorífico y el punto de inflamación. La figura de merito del diesel es el Numero de Cetano, que mide la facilidad de inflamación de la mezcla diesel / aire bajo efecto de compresión. Una de las piezas criticas del motor es el inyector, que en motores modernos a compresión puede proveer el combustible en forma liquida para atomizarlo en la cámara a una presión muy elevada y a varios miles de ciclos por minuto. Esto impone que el combustible tenga características de viscosidad, poder calorífico, tensión superficial, punto flash, punto de inflamación, presencia de contaminantes, y otros, en un estricto margen de valores. Modos de Uso de Aceites Vegetales Los aceites vegetales pueden ser utilizados de varias maneras; - Directamente como aceites vegetales puros-avp (straight vegetable oils-svo) - En mezcla (blending) con combustible fósil (fuel oil Nos. 1 y 2) - Procesado como biodiesel Uso de AVP (SVO) y blendings El uso de aceites vegetales puros en motores de encendido por compresión (ciclo diesel) es una realidad en algunas partes. Se puede adquirir un juego de conversión (replacement kit) para motores. Se requiere tres modificaciones o inclusiones principales (Journeytoforever.htm): - Sistema de calentamiento del tanque de combustible

3 - Modificación/ optimización del inyector de combustible para uso de SVO - Modificación / optimización de bujías frías (glow plug) Para el caso de blendings (mezclas) con fuel oil (Nos 1 y 2), de todos modos se debe hacer una adaptación en el tanque de combustible. En este caso el aceite vegetal se almacena mezclado con diesel en el tanque original de vehiculo. Se deberá tomar provisiones para evitar que el aceite tienda a ponerse pastoso y solidificarse en ambientes fríos. Otro arreglo es el de dos tanques, en el que el aceite vegetal se mantiene fluido en tiempos fríos por medio de un calentador o de un agitador. Adicionalmente, si se emplea aceites vegetales usados en cocina (residuos de fritura) se deberá tomar provisiones para filtrar adecuadamente este aceite antes de proceder a su utilización en el motor, puesto que las partículas tenderán a tupir los inyectores. Se recomienda no arriesgar el motor vehicular de un vehiculo moderno con cualquier clase de SVO o con conversiones artesanales. Ejemplos de motores de vehículos típicos adaptados al uso de aceites vegetales puros se vieron en el I Expo Conference de Biocombustibles & Ambiente, Quito, Mayo Similarmente en las afueras del Museo de la Ciudad, durante el evento Clima Latino el mes de Octubre ultimo. Sin embargo, no se enfatizaba lo suficiente los problemas que pueden afectar el motor si la conversión se la hace muy a la ligera o de forma artesanal. Proceso de Fabricación de Biodiesel El biodiesel se produce por la reacción del aceite vegetal con etanol o metanol, en presencia de un catalizador como NaOH o KOH, generando el ester etílico o metílico, y como subproducto glicerol. El proceso se denomina de transesterificacion. Los aceites vegetales y grasas animales son mono, di y tri-glicéridos que contienen glicerina. Para fabricar biodiesel se requiere transformar los glicéridos en esteres por medio de una reacción química con etanol puro (o metanol), utilizando algún catalizador apropiado. Se genera glicerina como subproducto de la reacción, que precipita al fondo de recipiente (reactor) mientras el biodiesel flota encima. Catalizadores de esta reacción son el hidróxido de sodio (NaOH) y el hidróxido de potasio (KOH). La mezcla de metanol (o etanol) con hidroxido de potasio (o de sodio) forma el denominado metoxido (o etoxido en caso de etanol) que es un producto de manejo cuidadoso por su reactividad Detalles de fabricación a pequeña escala pueden verse en el articulo Make your own Biodiesel (Ref 2) citado en su sitio web de Puede usarse productos químicos de fácil adquisición como lejía ( hidróxido de sodio) o hidróxido de potasio. La fabricación de laboratorio o artesanal de jabón es muy similar: en esta ultima se combinan lejía (NaOH) o potasa (KOH) mezclada con agua, con el aceite vegetal (triglicérido) en un proceso común denominado saponificación, por el cual se separan del aceite vegetal las cadenas de esteres y la glicerina. Estos esteres tienen una característica típica de verse atraídos a moléculas polares como agua por un lado, así como a moléculas no polares como aceites las hace efectivos como desengrasantes. En trans-esterificacion, en cambio, el hidróxido de potasio se mezcla con metanol generando un producto enlazado por su polaridad, metoxido de potasio que rompe las moléculas de ácidos grasos del aceite y

4 genera esteres metílicos (biodiesel) además de glicerina que se precipita. La presencia de humedad en el aceite, o de agua generada durante la reacción química puede tender a formar jabones que flotan o precipitan, generando problemas para el manipuleo y uso posterior (tupido de inyectores, coquificacion en motor, etc). El biodiesel presenta ventajas y desventajas sobre el diesel de origen fósil (8) Ventajas: No contiene azufre ni compuestos aromáticos poli nucleares Puede producir una combustión mas limpia, con menos hidrocarburos sin quemar, monóxido de carbono y aldehídos Desventajas (La mayoría dependen del proceso de fabricación): Puede aumentar los óxidos de nitrógeno en las emisiones Puede aumentar la viscosidad con la reducción de la temperatura Puede haber deposición (precipitación) de mono, di y tri-glicéridos. Puede haber corrosión (por restos de etanol o metanol) Puede tener restos de glicerina (mal separada en el proceso), elevando las emisiones de aldehídos Puede haber restos de agua Puede tener restos de metales (Na, K, Ca y Mg), sea por restos de catalizador, o por presencia de jabones insolubles Características Principales del Biodiesel Las principales características que debe cumplir el biodiesel (5) se dan en tabla 1 : Tabla 1 Características de Biodiesel Densidad a 15 grad C 850 a 900 kg/m3 Viscosidad 3.5 a 5 mm2/s Contenido en ester mínimo 96.5% (gravimetrico) Punto flash mínimo 120 grado C Contenido de azufre 10 mg/kg Numero de Cetano 51 Residuo carbonoso 0.30% Contenido de cenizas 0.02% Contenido de agua 500 mg/kg Contaminación total 24 mg/kg Corrosión lamina cobre Clase 1 Estabilidad oxidación mínimo 6 hrs Valor acido 0.50 mg KOH/ g muestra Metanol 0.20% Monogliceridos 0.80% Digliceridos 0.20%

5 Triglicéridos 0.20% Glicerina libre 0.02% Glicerina total 0.25% Metales grupo I (Na + K) 5 mg/kg Metales grupo II (Ca+Mg) 5 mg/kg Fosforo 10 mg/kg Problemas en la Fabricación Industrial de Biodiesel Existen plantas de fabricación de Biodiesel en Ecuador. Algunas de ellas son consideradas importantes en el contexto de la producción de biodiesel en América Latina. Hay problemas potenciales que pueden suscitarse en el proceso de producción o en transporte y utilización. Así por ej, el aceite de palma puede tener un relativamente alto contenido de estearinas, que tienden a solidificarse lentamente y a precipitar durante transporte o en el tanque de combustible si la temperatura desciende de cierto nivel. Esto requiere un proceso de elaboración mas cuidadoso y/o el uso de aditivos (anticoagulantes) en lo que se denomina winterizacion del biodiesel, significando su preparación para el frío invernal (winter). Todo ello tiene implicaciones de costo y competitividad. Dependiendo de la materia prima original, los costos de los insumos y los costos del proceso, asi como la eficiencia de conversión tienen también incidencia en los costos finales del biodiesel. La planta de Ecuador arriba mencionada aplica un proceso piloto de fraccionamiento selectivo a alta presión para obtener un mas bajo punto de obstrucción a la fluidez en frío (CFPP) que tiende a precipitar mejor las estearinas (6) Emisiones por Uso de Biodiesel Los motores a diesel (encendidos por compresión) se evalúan típicamente por: opacidad; óxidos de nitrógeno, NOx; material de partículas PM; monóxido de carbono CO; e hidrocarburos totales THC. Las normas en algunos países empiezan a incluir aldehídos e hidrocarburos poli-aromáticos PHC. Las partículas (PM) incluyen todo material sólido o condensado a 52 grado centígrados o menos. El PM puede incluir: hollín; derivados de combustible y lubricante condensado; aerosoles de acido sulfúrico. El PM se divide para efecto de análisis en: sulfatos; fracción orgánica soluble (SOF); fracción orgánica volátil (VOF); y carbón (hollín). Las emisiones de biodiesel se modifican asi (5): Compuesto Variación en Emisiones (Comparado con diesel) NOx PM - 10 CO - 11 HC - 21 La reducción de material de partículas (PM) se debe a una menor presencia de fracción orgánica volátil. Sin embargo, si el biodiesel tuviere contenido de esteres que tiendan a

6 solidificarse con las bajas temperaturas ambientales (estearinas por ejemplo), podrían a su vez causar un incremento en formación de depósitos en motor así como taponamiento de inyectores. Con los motores modernos de alta velocidad de inyección, esta ultima característica puede molestar. Debe cuidarse así mismo el balance entre NOx y PM. Por otro lado, se debe controlar el número de yodo, que mide el grado de saturación, o sea el número de enlaces de doble carbono de la cadena de ácidos grasos del Biodiesel. Detalles sobre pruebas de uso de biodiesel en motores se ven el los trabajos de A Portilla et al (11) en que se hacen pruebas con blendings desde 5% hasta 100 % biodiesel. Perspectivas de Biodiesel en Ecuador: Aplicación a Pequeña Escala de Piñón Biodiesel de palma aceitera es el mas desarrollado en Ecuador. La producción total de aciete crudo en 2006 fue de alrededor de 350 mil TM, de las cuales se exporto cerca 150 TM, con una area de producción de 200 mil hectáreas (7). Se estima que para el 2010 se tendra una producción de unos 460 mil TM, con un excedente sobre el consumo nacional de 260 mil TM De acuerdo a M Gonzalez ( 10), la demanda proyectada de diesel 2 en el año 2008 para uso automotor en Ecuador será aproximadamente 12 M-barriles. En el supuesto que se requiriera remplazar (blending) un 5% de este volumen, se necesitaría aproximadamente barriles de biodiesel al año, que a su vez corresponden a unos 25.2 M-galones por año, (equivalentes a unas TM). Detalles de la pruduccion y consumo mundial de biocombustibles se dan en (9) En lo referente a normativa sobre biodiesel, el Subcomité Técnico de Petróleo del Instituto Ecuatoriano de Normalización INEN se encuentra preparando una norma técnica expresa que contenga los requerimientos impuestos al biodiesel la cual se espera se oficialice hacia comienzos de En el caso de Jatropha curcas (Piñón en Ecuador), este es un cultivo que se ha desarrollado de forma silvestre en zonas marginales, y se usa en algunos casos como cercas vivas para alejar animales en razón de sus características un tanto toxicas de hojas y fruto. En una experiencia en Guatemala (Aceite Vegetal para Biodiesel, Ref 4) se indica que en un lote de 100 Mz se obtuvo una producción de 28 a 42 TM de fruta fresca por manzana, con una generación de entre unos 2700 a 4200 kg de almendra, de los que se extraen entre 1500 a 2300 litros de biodiesel producidos por manzana; las cifras mayores corresponden al uso de riego en la plantación. Otras referencias puntualizan que se puede obtener hasta unos 3000 litros/ha-año bajo condiciones cuidadosas, que corresponden a unos 800 galones/ha-año de biodiesel. Con una producción realista de 1500 litro/ha-año (400 galones/ha-año) se requeriría unas hectárea para suministrar el biodiesel para blending de reemplazo al 5% del diesel consumido en uso automotor en el país, con una demanda adicional del mismo orden para aplicaciones no vehiculares. Obviamente esto requiere una estrategia de producción escalonada en la que se combine biodiesel de varios cultivos.

7 En Ecuador el Piñón se desarrolla de manera silvestre en zonas de las provincias de Manabí, Loja y Machala, así como en menor escala en Guayas. Muchos de los agricultores indagados confirman conocer existencia de estos cultivos silvestres, si bien no conocen claramente la productividad ni condiciones para cultivos más formales. No se conoce el hectareaje total, pero se considera que no supera el equivalente de unos pocos cientos de hectáreas (de tipo silvestre e informal, como cercas vivas en muchos casos). Se conoce que el INIAP habria logrado por tramite directo la aprobación reciente (Octubre 2007) de un proyecto de investigación que involucra cultivo de Jatropha curcas (Pinon) para elaboración de biodiesel). No se han hecho publico detalles completos todavía por la manera particular en que se están aprobando los proyectos CEREPS. A juzgar por las consultas hechas al autor, así como por comentarios de los varios colegas de varias partes del país y exterior, se demuestra que hay interés de tipo comercial de desarrollar cultivos locales Piñón (Jatropha curcas) y la Higuerilla (Ricinus communis). Esto ya se da en varios países de la región, como se demostró en el Segundo Seminario de Bio-combustibles de América Latina y el Caribe, llevado a cabo en El Salvador a fines del mes de Septiembre del presente año. Localmente, algunos de los grupo técnicos y científicos nacionales tienen años de incursionar en forma un tanto aislada y silenciosa en algunas áreas de trabajo, tales como evaluación de producción agrícola, procesos de extracción del aceite, elaboración de biodiesel, uso en vehículos, operación en banco de motores, emisiones, etc. También se reporta estudios básicos de cultivos de Higuerilla y en menor escala de Piñón. Algunos de estos trabajos y perspectivas de desarrollo pudieron apreciarse en el evento I Expo Conference Biocombustibles & Ambiente, Quito, Ecuador, 28 al 30 de Mayo El autor se encuentra trabajando en desarrollar sistemas de extracción y aprovechamiento de aceites y su aplicación a biodiesel de cultivos no comerciales (Piñón por ejemplo), en particular a pequeña escala. Para proyectos en pequeña escala se debe tomar en cuenta los problemas que afectan tradicionalmente a los agricultores pequeños en el país. Para apoyarlos debe tomarse en cuanta aspectos y dificultades en: acceso a crédito e insumos; acceso a tecnologías viables; seguridad en venta de cultivos y/o productos procesados; protección contra el accionar de monopolios de grupos productores fuertes; ;y otros. El Prof Dr Patrick van Damme, de la Erasmus Universiteit, en una reciente presentación en la ESPOL dejo sentada la metodología de análisis de cultivos que históricamente hubieren existido en una zona, empezando por una análisis etnobotánico de la biodiversidad y conduciendo a la domesticación de nuevos cultivos para el desarrollo de zonas rurales Impactos de la Producción de Biodiesel Es claro que la producción de biodiesel va a generar impactos positivos por el reemplazo de combustibles fósiles. Sin embargo, hay impactos negativos que deben reconocerse y propiciar acciones remediales. No puede dejarse de mencionar las observaciones que se han hecho en Ecuador a los cultivos de palma aceitera por la tala de bosques. No se pretende en este artículo puntualizar culpabilidades, sino más bien señalar situaciones que

8 de alguna manera son publicas y deben reconocerse. Por otro lado, especialistas agrónomos puntualizan problemas potenciales de monocultivos a largo plazo. No es claro tampoco la participación de pequeños agricultores, tal como se propugna en los planes de desarrollo de los biocombustibles. Por otro lado, el pasar de unos pocos centenares de hectáreas silvestres e informales de Jatropha curcas a las varias decenas de miles de hectáreas de cultivos formales que se requerirían para suministrar el biodiesel para blending de 5% con diesel necesario para consumo vehicular deberá hacerse con estrategia y apoyo de muchos sectores, incluido el estatal. Finalmente, el ligero aumento de las emisiones de NOx por el uso de biodiesel debe considerarse, pues en definitiva requerirá de un mecanismo adicional de depuración en los gases de escape, aumentando un poco los costos de operación. Todo ello implica afinar un poco la estrategia de desarrollo de biodiesel en Ecuador, cuyas posibilidades en general lucen muy buenas una vez que se tomen los correctivos indicados. Visto el creciente interés comercial, no debe postergarse mas la ejecución de un estudio ambiental estratégico e integral que cubra todas las etapas. Reconocimiento A continuación se deja constancia de personas que el suscrito conoce que se encuentran trabajando de una manera u otra en aspectos varios de aceite y/o biodiesel de especies vegetales comerciales y no comerciales, o en pruebas relativas a su calidad y/producción, o en difusión tecnológica: Ing Oswaldo Proaño, Profesor EPN; Ing Rebeca Vega, reconocida pro-activista de Agroecologia; Ing Luís Miranda, Coordinador Carrera de Ing de Alimentos, ESPOL; Ing Justo Huayamave, Director e Ing Olga González, Subdirectora, Instituto de Ciencias Químicas y Ambientales ICQA, ESPOL; Dra Patricia Manzano, profesora ICQA-ESPOL; Ing Francisco Torres, Director CEMA-ESPOL; Ing Marcelo Espinoza, Profesor de Mecanización Agrícola, ESPOL; Ing Byron Chiliquinga, OLADE; Dr Wilson Pozo, ex Director de la Maestria de Agricultura Tropical Sostenible, Universidad de Guayaquil; Ing Mauro González, e Ing Julio Salazar, miembros del Comité Interinstitucional de Bio-combustibles del Ecuador; Ing Percival Andrade, La Fabril, Manta, Ecuador; Ing Ángel Portilla, Director CCICEV, EPN, e investigador de larga trayectoria en motores de combustión; Ing Jorge Medina, profesor de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, investigador en combustibles de muy larga trayectoria, e impulsor de normas del biodiesel en INEN; Dr Luis Alberto Celi, director de un proyecto de biodiesel en la EPN; Ing Hayde Torres, Coordinadora, Carrera de Tecnología en Agrícultura, Campus Daule, ESPOL; Ing Edwin Jiménez, Coordinador del Bosque Protector de ESPOL; Dra Issa Bar-On, Coordinadora de Proyectos en Energía y Ambiente, Worcester Polythecnic Institute, USA (donde el autor hizo una reciente estadía técnica); Dr Celso Recalde, investigador de la ESPOCH, quien desarrolla un proyecto de investigación sobre biodiesel; Sr Xavier Fuentes, quien desarrolla una Tesis sobre extracción de aceites y aplicación a motores y biodiesel en la ESPOL; Dr Peter Schwiebert, asesor de la oficina del IICA en Quito, quien hace demostraciones sobre el uso de aceites vegetales puros en motores a diesel en una camioneta a la que se le instalado el kit de conversión. En el área de economía agrícola se debe mencionar al grupo del ESPOL con el Dr Ramón Espinel, Director, y el Dr Paul Herrera, Profesor, Carrera de Ing Agropecuaria. Existen además grupos privados, quienes por ahora han solicitado no se divulguen sus nombres por encontrarse en etapas nacientes de toma de

9 decisiones sobre sus empresas. Por otro lado, las empresas establecidas mantienen entendiblemente sigilo y confidencialidad sobre sus niveles de producción. Referencias 1.- The Internal Combustión Engine in Theory and Practice, C F Taylor, Vol II, Combustión, Fuels, Materials, Design, The MIT Press, Make your own Biodiesel, Palm Oil Biodiesel, palmoilbiodiesel.htm, II Seminario Latinoamericano y del Caribe de Biocombustibles, El Salvador, 26 al 28 Septiembre Véase Aceite Vegetal para Biodiesel. Citado en The Biodiesel Handbook, G.Knothe, JV Germen, J Krahl, AOCS Press, Illinois, El desarrollo de Bio-combustibles Especiales a partir de Aceite de palma africana, Persival Andrade, La Fabril. Presentado en I Expo Conference Biocombustibles & Ambiente, Quito, Ecuador, 28 al 30 de Mayo Análisis Situacional de la Palma Africana, ANCUPA. Presentado en I Expo Conference Biocombustibles & Ambiente, Quito, Ecuador, 28 al 30 de Mayo Producción de Biodiesel a Partir de Aceites Usados, Jose Aracil Mira, Laboratorio de Procesos Químicos Integrados, Universidad Complutense de Madrid, Biofuels for Transportation,Global Potential and Implications for Sustainable Agriculture and Energy in the 21 st Century, Extended Summary, Worldwatch Institute, June Programa Nacional de Biocombustibles, Primer Simposio ECUADOR - BRASIL de Biocombustibles, Ing Mauro González, Comportamiento de Combustibles Alternativos en Motores a Diesel para Disminuir Emisiones Contaminantes en Condiciones de Altura, EPN, FN, COSUDE, Municipio de Quito, A. Portilla y colectivo de autores, CCICEV-EPN, Dic 2006