EMPLEO DE BIOCOMBUSTIBLES COMO FUENTE DE ENERGIA CALORIFICA EN EL PERU

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1 EMPEO DE BIOCOMBUSTIBES COMO FUENTE DE ENERGIA CAORIFICA EN E PERU Deudor Malpazo, Yhon - Marcos Huatuco, Rubén Sivipaucar Gómez, Clodoaldo - Olivera Macedo, orena Nykue Antonio Gamboa Alarcón - Andrés Valderrama Romero Ingeniería Mecánica de Fluidos- Facultad de Ciencias Físicas - Universidad- Nacional Mayor de San Marcos Ciudad Universitaria cuadra 27 S/N ima ; cedit.unmsm@hotmail.com RESUMEN a oferta de petróleo ha iniciado hace ya algunos años su curva descendente, debido a muchos factores, entre los principales, factores geopolíticos y tecnológicos, mientras la demanda sigue en crecimiento; lo que origina que el precio de los derivados del petróleo en el mercado irá incrementándose. Asimismo, están las justificadas normas medio ambientales, que cada vez exigen menores contenidos de elementos nocivos en los gases de la combustión cuando se queman los derivados del petróleo. El presente proyecto de investigación muestra la viabilidad de promoción, producción y aplicación de biodiesel en nuestro país a partir de plantas oleaginosas, que ayudará a solucionar parte del problema energético, ambiental y económico e impulsará la agricultura a través del incremento de la eficiencia de la producción, utilizando aquellas tierras agrícolas, que por razones de mercado, están asiendo abandonadas por los agricultores y además generará nuevas fuentes de trabajo. En este trabajo presentamos un estudio energético económico del biodiesel, así como también, la elaboración de biodiesel a partir de plantas oleaginosas como la soya, (Cajamarca, Ayacucho) palma aceitera, aguaje, que se producen en algunos distritos, provincias y departamentos de nuestra amazonía como oreto, Madre de Dios, Cajamarca, así también a partir de aguaje, palma aceitera y sacha inchi en parte de Ayacucho. Para demostrar que este producto puede reemplazar al diesel en cualquiera de sus aplicaciones hemos elaborado el biodiesel y probado su comportamiento al usarlo en diferentes mezclas con kerosene y con biodiesel solo, en el quemador de una cocina a gas de kerosene. INTRODUCCIÓN El biodiesel es un combustible de origen vegetal que puede reemplazar al combustible diesel en diversas aplicaciones, para cada aplicación existe una mezcla óptima que debe ser obtenida experimentalmente. El presente proyecto de investigación muestra la viabilidad de aplicación de los biocombustibles como una nueva alternativa a solucionar parte del problema energético ambiental y económico en el Perú; se presenta la posibilidad de uso de biocombustibles en la obtención de energía calorífica en el Perú. PANTEAMIENTO DE ESTUDIO Esta investigación tiene como finalidad probar la eficiencia del biocombustible como energía calorífica, quemándose o combustionándose en quemadores de cocinas a gas de kerosene, ejecutándose las etapas siguiente: Etapa. Elaboración del biocombustible: - a partir de aceite de soya - a partir de aceite reciclable del comedor de la Ciudad Universitaria de San Marcos - a partir de aceite de colza Etapa 2. Ensayos de las características de los biocombustibles en cocinas a gas de kerosene - Análisis de la viscosidad - Obtención del punto de inflamación - Ensayos de quemado de los biocombustibles en una cocina de kerosene. Etapa 3. Análisis del proceso de quemado de los biocombustibles y su costo - Análisis de las características de la llama - Análisis de la formación de los componentes de material partículado, hollín y CO. - Análisis del costo de quemado de bicombustible en comparación al quemado de kerosene OBJETIVOS - Objetivos Generales: Oportunidad para el país para reducir la contaminación ambiental Promover la agricultura y la agroindustria Generas nuevas inversiones y fuentes de trabajo Promover cultivos alternativos rentables Nueva fuente de energía en el Perú Fuente de energía económica y ecológica Generar recursos en las zonas donde el frió y la humedad impida el cultivo Incentivar el cultivo en Puno, Juliaca, Junín, Huancavelica y otros departamentos del Perú 2- Objetivos específicos: Aplicación del biodiesel en los quemadores convencionales de baja presión ubicados en cocinas, pudiendo emplearse también en quemadores industriales que poseen los calderos ubicadas en las industrias, reemplazando de esta manera los combustibles tradicionales y el gas. FUNDAMENTO TEORICO os biocombustibles: son combustibles de origen biológico obtenidos a partir de restos orgánicos de materiales renovables como las plantas, se cree pueden sustituir a los combustibles fósiles más tradicionales, en virtud de su bajo o nulo deterioro ambiental y sus características de renovación. Entre los biocombustibles podemos incluir el bioetanol, el biodiesel, biometanol, entre otros. os dos productos

2 más desarrollados y empleados de los biocombustibles son el bioetanol y el biodiesel. - El bioetanol, o etanol de biomasa: puede ser obtenido de maíz (EEUU), de caña de azúcar (Brasil) o remolacha (Chile) por medio de procesos de fermentación enzimáticos de sus azúcares. Dado que la composición de la celulosa es muy rica en azúcar, resultaría muy útil producir alcoholes a partir de la fermentación de celulosa, principal componente estructural de los materiales vegetales. - El biodiesel: se fabrica a partir de aceites vegetales, el método más habitual es la transformación de estos aceites vegetales a través de un proceso de combinación con alcohol metílico e hidróxido sódico, produciéndose un compuesto que se puede utilizar directamente en un quemador o en un motor diesel sin modificar, obteniéndose glicerina como subproducto. a glicerina puede utilizarse en otras industrias como la farmacéutica, de detergentes, etc. Características y Ventajas del biodiesel: - Reduce las emisiones de monóxido de carbono (CO) y material particulado en comparación con el diesel. - No produce emisión de óxidos de azufre (SO2 +SO3) porque el biodiesel no contiene azufre. - Reduce en un 90% la cantidad de hidrocarburos totales no quemados. - El Biodiesel no contiene productos orgánicos aromáticos (benceno y derivados) son sustancia cancerigenas. - El biodiesel recicla el CO2 de la atmósfera a través del proceso de fotosíntesis de la atmósfera, contribuyendo a detener el efecto invernadero que genera la combustión de combustibles fósiles. - Al tener un punto de inflamación superior al diesel, kerosene, su transporte es mas seguro. - No contamina los suelos y aguas subterráneas en caso de un derrame accidental. - Es biodegradable y en 28 días desaparece todo rastro de contaminación en caso de derrame. Factibilidad del uso: - El biodiesel puede utilizarse de todas las prestaciones y de forma idéntica que el diesel Oil, kerosene, ya sea puro (al 00%) o mezclado con éste. - Aplicando tanto a motores de combustión interna: turbinas a gas etc. Como en sistemas de combustión abierta: hornos, cocinas, calderos, secadores, otros equipos térmicos. Demanda de biodiesel (DGH-MEN): Año Dem. 200 (0 3 bb/año) Demanda Diesel Demanda ajustada Diesel Oil 5% Vol. de Biodiesel Tabla : Demanda de biodiesel Materia prima: as materias primas que se pueden emplear en la obtención de biodiesel son muy variadas y pueden clasificarse en: a. Aceites vegetales: - Aceites de semillas oleaginosas: girasol, colza, soja y coco. - Aceites de frutos oleaginosos: palma. - Aceites de semillas oleaginosas alternativas: Brassica carinata, Camelina sativa, Pogianus - Aceites de semillas oleaginosas modificadas genéticamente: Aceite de girasol de alto oleico. - Aceites vegetales de final de campaña: Aceite de oliva de alta acidez. b. Aceites de fritura usados. - Grasas animales: sebo de distintas calidades. DESCRIPCIÓN DE OS BIOCOMBUSTIBES. a Colza: (Brassica napus), es una oleaginosa muy difundida en el mundo, que produce aceite comestible de excelente calidad, cuyo principal productor es la Unión Europea con 0,5 millones de toneladas. Figura : a colza 2. Aceite reciclado: una ventaja de recoger aceite usado y utilizarlo como combustible, es evitar que el aceite de cocina ya usado se vierta a las cañerías o se tire a la basura. Figura 2: Aceite reciclado 3. Aceite de soya: la Soya forma parte del 75% de los vegetales grasos y aceites que se consumen. El aceite vegetal es generalmente el que es realizado 00% de soya, o una combinación de aceite de soya y otros aceites 2

3 - Reacción Química: Figura 3: Aceite de soya En Francia Mezclan 5% de aceite vegetal en el diesel directamente en los centros de producción del diesel y aunque el R-COOCH 2 CH 2-OH Catalizador R-COOCH + 3CH 3OH 3RCOOCH 3 + CH-OH R-COOH 2 CH 2-OH Triglicérido Glicerina metanol metilester R= radical alquilo REACCION QUIMICA que se produce TRIGISERIDO METANO R-C OO CH 2 CH 3 OH METIEESTER BIODISE Tabla 2: Comparación con los combustibles GICERINA EXPERIENCIAS EN OTROS PAÍSES En Europa: Aunque el biodiesel es ligeramente más barato que el diesel convencional en la estación de servicio, los agricultores que cultivan la colza reciben un subsidio de la Unión Europea. El biodiesel (más específicamente el rapeseed methyl ester o RME) es considerado como una opción obvia para la diversificación del combustible del sector transporte debido a las siguientes ventajas: - El uso inmediato en cualquier motor diesel, generando un acceso rápido al mercado. - El biodiesel es totalmente compatible con los sistemas de distribución del diesel. - Ofrece un balance energético favorable. - Por su alto contenido de oxígeno, disminuye significativamente las emisiones de contaminantes a la atmósfera. - Es un producto no - tóxico y biodegradable. En Italia: Que es uno de los países con más altos impuestos en combustibles, el biodiesel está libre de impuestos como paso lógico para penetrar más fácil al mercado. consumidor no nota las ventajas del nuevo producto, ésta estrategia evita la construcción separada de infraestructura costosa y así, grandes volúmenes pueden introducirse en el mercado. as compañías líderes son: Elf, Shell y Total. Tabla 3. Producción de biodiesel en el mundo En Estados Unidos Mezclan el 20% de metilester de soya con Diesel fósil, principalmente por razones de precio. a mezcla 80/20, junto con el uso de convertidores catalíticos, ha recibido recientemente certificación de la EPA para el programa de Buses Urbanos. En Alemania y Austria Dados los grandes beneficios del diesel, éste se comercializa puro, destacándose su sensibilidad ambiental protegiendo lagos, aguas subterráneas, bosques, etc. y menos contaminación, smog, etc. de taxis y buses en ciudades. En Canadá as materias primas más utilizadas para la producción de Biodiesel son soya, colza y canola o rapeseed (una planta forrajera cuyas semillas proporcionan hasta 45% de aceite). FORMUACION DE HIPOTESIS - Realizar el estudio de las características del biodiesel en comparación con el kerosene - Estudiar el comportamiento del biodiesel y sus diferentes mezclas en quemadores de uso doméstico. - Inferir el comportamiento del proceso de combustión calderos y hornos industriales. Sustancia Densidad Kg/l Componentes Principales % en peso Temperatura ebullición C Calor especif. Evapora c Kj/kg) Potencia Calorífic a Espec MJ/Kg) Querosene 0,77..0,83 87 C, 3H Combustib 0,85 0,85 86C, 3H ,5 le Diesel 5 Petróleo 0, C ,8 46, Etanol 0,79 52C,3H,35O ,8 C2H5OH 3 Metanol 0,79 38C,2H,50O ,7

4 ANAISIS DE RESUTADOS. ONGITUD DE A AMA EN QUEMADORES DOMÉSTICOS TRABAJANDO CON MECAS DE DIESE2 Y BIODIESE.. ongitud de la flama de las mezclas de diesel 2 con aceite de soya Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de hasta, la longitud de la flama se incrementa; asimismo, se incrementa la longitud de la flama cuando se incrementa el porcentaje en volumen de soya en la mezcla. DIESE 2 + SOYA () PSI 0% 5% 0% 20% 30% 40% 50% % BIODIESE Fig.. Variación de la longitud del dardo pulverizado en función del porcentaje de soya en la mezcla Se debe señalar que la longitud límite de la longitud de la flama dependerá de la distancia de diseño entre la flama y la base de la parrilla de la cocina, en este caso es de 5,0. Y cuando excede de esta longitud la flama produce calentamiento del tanque que almacena la mezcla y rebota en la base de la superficie que recibe la energía calorífica producida. a flama al aumentar la concentración se torna más amarilla y aumenta la concentración de hollín y de obstrucción de grasas quemadas en el agujero del pulverizador..2. ongitud de la flama de las mezclas de diesel 2 con aceite de girasol Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de hasta, la longitud de la flama se incrementa; asimismo, se incrementa la longitud de la flama cuando se incrementa el porcentaje en volumen de girasol en la mezcla. DIESE 2 + GIRASO () PSI 0% 5% 0% 20% 30% 40% 50% % BIODIESE Fig. 2. Variación de la longitud del dardo pulverizado en función de la mezcla de diesel 2 con aceite de girasol. 4

5 Se debe señalar que la longitud límite de la longitud de la flama dependerá de la distancia de diseño entre la flama y la base de la parrilla de la cocina, en este caso es de 5,0. Y cuando se excede de esta longitud la flama produce calentamiento del tanque que almacena la mezcla y rebota en la base de la superficie que recibe la energía calorífica produciendo el incremento de la presión de la mezcla en el tanque, cambia el color de la flama de azulada naranja a amarilla, se incrementa la intensidad térmica por unidad de área.. TIEMPO EMPEADO PARA HERVIR ITRO DE AGUA CON OS QUEMADORES DOMÉSTICOS CON MEZCAS DE DIESE 2 Y BIODIESE 2.. Tiempo para hervir con mezclas de diesel 2 con aceite de soya Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de la mezcla disminuye el tiempo para hervir ; esto se debe a que la flama incrementa su longitud, incrementa la intensidad térmica sobre la superficie de aprovechamiento de calor. Asimismo se observa tres zonas: DIESE 2 + SOYA 0:48 09:36 08:24 t(min) 07:2 06:00 04:48 03:36 02:24 0:2 00:00 0% 5% 0% 20% 30% 40% 50% % BIODIESE 6 PSI Fig. 3. Variación del tiempo que demora para hervir con las mezclas de diesel 2 y aceite de soya. Zona.- El tiempo para hervir cuando el porcentaje es menor del 0% de soya en volumen se incrementa lentamente, esto se debe a que los componentes oleicos originan una tensión superficial que empeora la formación de la mezcla. Zona 2.- El tiempo disminuye lentamente cuando el porcentaje es de 20% de soya en volumen en la mezcla, siendo la formación de la mezcla y la flama óptima Zona 3.- El tiempo se incrementa cuando se incrementa el porcentaje sobre el 20% de soya, es decir, el 30%, 40% y 50%; viéndose que se incrementa notoriamente la longitud de la flama, trasladando parte del calor de esta hacia el tanque que contienen la mezcla, haciendo que lentamente se incremente la presión en su interior Tiempo para hervir con mezclas de diesel 2 con aceite de girasol Se aprecia que la formación de la flama se organiza de mejor manera lográndose que el tiempo se incremente al disminuir la presión de pulverización de la mezcla; asimismo, si se incrementa el porcentaje en volumen de aceite de girasol en volumen en la mezcla, el tiempo para hervir disminuye, siendo el factor limitante la longitud del dardo de mezcla pulverizada, que debe ser controlada. 5

6 DIESE 2 + GIRASO t(min) 4:24 2:00 09:36 07:2 04:48 02:24 00:00 0% 5% 0% 20% 30% 40% 50% % BIODIESE 6 PSI Fig. 4. Variación del tiempo para hervir en función del porcentaje de aceite de girasol en la mezcla. 4. Perry, Jhon; Manual de Ingeniero Químico, CONCUSIONES editorial Mc Graw Hill, México De acuerdo a la formación de la mezcla, forma de 5. la flama, longitud de la flama y tiempo que demora para hervir el porcentaje 8.CORPODIB. Proyecto para la producción de óptimo de aceite de soya en mezcla con el biodiesel a partir de palma africana en Colombia petróleo diesel 2 es de 20% en volumen De acuerdo a los resultados obtenidos se 0. ministerio de agricultura demuestra que la presión óptima que debe. mantenerse en el tanque de mezcal para ambas 2. N_biocombustible mezclas es de. 3.Publicación: Revista Institucional de la agencia 3.- a longitud del dardo para para la mezcla Agraria eoncio Prado/Tingo María/Huánuco: a de diesel 2 con 20% de aceite de soya es de. Palma Aceitera como Alternativa Económica para la y la longitud del dardo para para la mezcla Amazonía. 5/2/999. Perfiles entregados a DEVIDA, Ministro de Agricultura. Julio del 2002 y de diesel 2 con 20% de aceite de girasol es de Comisión Binacional Perú Ecuador por IGEPMA Emplear una excesiva presión de pulverización en ANEXO: ambas mezclas por encima de, produce la aparición de hollín y residuos grasoso quemados SOYA en el agujero de la salida del pulverizador. Analisis de resultados de P= RECOMENDACIONES. Se debe encontrar los parámetros de diseño para la fabricación de una cocina que emplee mezclas de petróleo diesel 2 con aceite de soya y aceite de girasol. 2. Toda cocina con quemador que trabaje con presiones superiores a bar (4,7 PSI), debe emplear manómetro instalado en el tanque de mezcla. 0% ,40 4:00 5% ,70 4:25 0% ,00 4:50 20% ,20 5:5 30% ,50 4:35 50% ,50 4:34 BIBIOGRAFIA.-Van Wylen, G. & Soontag, R.; Fundamentos de Termodinámica ; editorial imusa, México Postigo, J; Cruz, J; Termodinámica Aplicada ; editorial UNI, ima Marks; Manual del Ingeniero Mecánico, editorial Mc Graw Hill, México 988 Analisis de resultados de P= 0% ,50 5:08 5% ,0 5:6 0% ,80 5:40 20% ,30 5:48 6

7 30% ,90 6:35 50% ,90 6:55 Analisis de resultados de P=6 PSI 0% ,40 6:05 5% ,90 6:20 0% ,50 7:3 20% ,30 7:37 30% ,45 7:40 50% ,00 7:30 Analisis de resultados de P=8PSI 0% ,40 4:00 5% ,75 :40 0% ,50 8:56 20% ,30 7:25 30% ,45 7:55 50% ,00 9:00 Analisis de resultados de P=8PSI 0% ,00 7:3 5% ,20 7:40 0% ,50 9:08 20% ,00 9:2 30% ,90 9:57 50% ,20 9:42 GIRASO Análisis de resultados de P = 0% ,40 4:00 5% ,25 4:55 0% ,30 5:06 20% ,50 4:57 30% ,95 5:5 50% ,95 5:36 Análisis de resultados de P= 0% ,40 4:00 5% ,30 6:4 0% ,60 5:36 20% ,20 6:6 30% ,20 6:50 50% ,90 7:25 Analisis de resultados de P=6 PSI 0% ,40 4:00 5% ,85 7:24 0% ,30 6:50 20% ,60 6:35 30% ,95 6:35 50% ,40 8:30 7