TRABAJO DE INVESTIGACION EL IMPACTO AMBIENTAL DEL BIODIESEL EN COLOMBIA

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1 1 UNIVERSIDAD DE SANTANDER CUCUTA TRABAJO DE INVESTIGACION EL IMPACTO AMBIENTAL DEL BIODIESEL EN COLOMBIA Ambiental Ing. Juan Camilo Acevedo Páez Ing. Jorge Augusto Hernández Mora Universidad de Santander - Cúcuta Grupo GENESIS

2 2 EL IMPACTO AMBIENTAL DEL BIODISEL EN COLOMBIA EXPOSITOR JUAN CAMILO ACEVEDO PÁEZ Ingeniero de Producción Agroindustrial, Universidad Francisco de Paula Santander. Candidato a Magíster en Gerencia de Empresas Mención Industria, Candidato a MBA en Gestión Integrada de la Calidad, Seguridad y Medio Ambiente. Coordinador del programa Ingeniería Industrial y docente investigador grupo de investigación EUREKA, Universidad de Santander Avenida 4 con calle 10 Norte esquina. Urbanización El Bosque Celular:

3 3 EL IMPACTO AMBIENTAL DEL BIODIESEL EN COLOMBIA Resumen En este artículo se presenta una propuesta de investigación del impacto ambiental del biodiesel de aceite de palma en Colombia. El biodiesel se presenta como una alternativa para disminuir el impacto ambiental de los combustibles tradicionales. Este trabajo utilizará un método para evaluar las emisiones contaminantes de los motores diesel, partiendo de las condiciones de operación en condiciones reales, teniendo en cuenta, el desempeño mecánico del motor utilizando diferentes mezclas dieselbiodiesel. Aunque las tendencias observadas dependen fuertemente del tipo de aceite del que proviene el biodiesel, se corroborará la potencia, el torque y el consumo de combustible. De igual forma, se realizarán mediciones de CO, HC, NOx, SOx, material particulado y la opacidad de humos, para la validación de las fuentes bibliográficas consultadas que indican una reducción de los parámetros de emisión analizados. Palabras Claves: Impacto ambiental, Biodiesel, Emisiones atmosféricas, Colombia. Introducción La crisis petrolera de los años setenta dio comienzo a la búsqueda de nuevas alternativas energéticas, cuyo fin fue reemplazar los recursos de origen fósil parcial o totalmente; y se incrementaron además los controles estadísticos de la actividad petrolera en el ámbito mundial, lo cual arrojó información que tuvo en alerta a todas las naciones (Agudelo et al, 2002). Desde el año 1991 hasta el 2001 se observó una tendencia mundial creciente del consumo anual del petróleo en torno al 2%. Hacia el 2025 el precio del petróleo se hará insostenible debido a que las reservas se calculan hasta el ( Janaun & Ellis, 2010). Un elemento de juicio al momento de usar combustibles fósiles es su potencial de generación de emisiones contaminantes, entre los cuales se encuentran el dióxido de Carbono (CO 2 ), principal gas causante del efecto invernadero; monóxido de Carbono (CO), que tiene efectos letales sobre el hombre; óxidos de nitrógeno (NOx) e hidrocarburos sin quemar o parcialmente quemados (HC), principales formadores de smog fotoquímico en presencia de luz; emisiones sulfurosas (SOx), causantes de la lluvia ácida, generador de sulfatos, y material particulado, causante de enfermedades respiratorias y cáncer (Mekhilef et al, 2011). Una alternativa que genera impactos positivos, para el medio ambiente en cuanto a los motores de encendido por compresión (motores diesel), es el biodiesel, un combustible renovable, biodegradable y no tóxico, que se obtiene mediante la reacción de transesterificación de aceites vegetales y/o animales con alcohol para producir una mezcla de esteres metílicos de ácidos grasos (biodiesel) y glicerina. La producción y masificación del uso de los biocombustibles, como el biodiesel a partir de aceite de palma, tiene varios objetivos, se fundamenta en la necesidad de garantizar el abastecimiento energético de los países y disminuir su dependencia de los combustibles fósiles, adicional a los

4 4 beneficios sociales, ambientales y económicos que se pueden obtener con la generación de empleos permanentes, el fortalecimiento del sector agrícola y de las economías regionales, el desarrollo agroindustrial, el mejoramiento de la calidad del aire y la sustitución de cultivos ilícitos, entre otros beneficios. Para el caso colombiano, adicional al deterioro ambiental que se percibe en las grandes ciudades, por la excesiva contaminación generada por las fuentes fijas y móviles, existen consideraciones estrechamente vinculadas con la seguridad y sostenibilidad energética nacional, así como la generación de una verdadera revolución social en materia de empleo y desarrollo rural, según el Ministerio de Minas y Energía de Colombia, Impacto Ambiental En los resultados reportados por Tickell (2000) se aprecian reducciones «netas» de CO 2 del 100%; además reducciones de SO 2 cercanas al 100% debido a la ausencia de azufre en el biodiesel, de hollín entre 40-60%; de CO entre 10-50%; (HC) entre 10-50%; y de aldehídos y compuestos poliaromáticos en torno a 13%. Igualmente afirma que puede haber reducción o incremento de las emisiones de NO X entre 5-10%, dependiendo del modelo del automóvil y de la afinación del motor. Resultados similares encontrados por Yanfen et al. (2012), que afirman que la opacidad de humos, los HC y el CO decrecen a medida que se incrementa la concentración del biodiesel en las mezclas. Choo & Ma (2000) evalúan el biodiesel como combustible en motores estacionarios y ensayos de campo (taxis, buses y camiones), donde se observa reducción de HC, NOx, CO, CO 2 y SO 2. En una investigación similar con aceite de colza, llevada a cabo durante tres años, Agarwal et al. (2006) estudiaron el desempeño de buses de servicio público, flotas de camiones y vehículos ligeros con B30, B50, B100 y diesel; en cuanto a los gases de emisión arrojados, se detectó un ligero incremento de los NOx, reducción en los niveles de opacidad del humo y emisiones neutras de CO 2. El uso de la mezcla B30 generaba una notable reducción de HC y material particulado, mientras que las emisiones de aldehídos, cetonas y NO 2 permanecen invariables; mientras que la mezcla B50 produce un ligero aumento en las emisiones de aldehídos y cetonas. Asimismo, varios estudios han encontrado que los óxidos de nitrógeno (NOx) incrementan proporcionalmente con el aumento de la concentración de biodiesel en las mezclas biodiesel-diesel, sin embargo, en otras investigaciones de biodiesel, las cantidades de NOx disminuyen o permanecen constantes en comparación con el diesel convencional. El efecto de biodiesel de NOx puede ser mitigado mediante la modificación de los ajustes de control del motor - en particular al retardar la temporización de la inyección y el aumento de recirculación de gases de escape. La magnitud absoluta del efecto de biodiesel NOx parece reducirse con motores modernos, aunque hay casos en los que el porcentaje de cambio sigue siendo considerable (Hoekman & Robbins, 2012). En los motores diesel modernos, varios factores relacionados con la composición del combustible y las estrategias de control del motor son importantes, aunque ninguna teoría ofrece una explicación adecuada del efecto biodiesel NOx en todas las condiciones. Hay evidencia que sugiere que los efectos en el tiempo de inyección, retardo del encendido, la temperatura adiabática de llama, la pérdida de calor por

5 5 radiación, y otros fenómenos de combustión, juegan papel determinante. El efecto de biodiesel de NOx puede ser mitigado mediante la modificación de los ajustes de control del motor (Fang et al, 2008). En el contexto colombiano, la opacidad de los vehículos, evaluada cada km, mostró motores que los buses que utilizan mezclas con biodiesel de palma presentan menores valores de opacidad que los que operaron con diesel. Lo anterior, se corroboró con los resultados de las pruebas de emisiones en ruta que mostraron reducciones en las emisiones de CO 2 y material particulado, además mejoras significativas en el número de cetano, la lubricidad y el contenido de azufre. En es tas pruebas se ha cetano, la demostrado el buen desempeño del biodiesel en mezclas de hasta el 50% en vehículos de transporte de pasajeros, los cuales están sometidos a exigentes condiciones de operación, validando la viabilidad técnica de utilizar mezclas de diesel-biodiesel de palma superiores a la que se utiliza actualmente en el país (Cenipalma et al., 2009). La palma de aceite ofrece los rendimientos más altos por hectárea de todos los cultivos de aceite en la actualidad. El estudio realizado en este proyecto muestra que las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) del biodiesel de palma de aceite producido en Colombia se reduce en un 83%. El biodiesel de Colombia supera los requisitos de reducción de Gases Efecto Invernadero establecidos por la comunidad europea y los propuestos por la Agencia de Protección Ambiental, EPA, de los Estado Unidos de América. (Federación Colombiana de Biocombustibles, 2011). El Biodiesel Y La Salud Humana El biodiesel tiene el potencial para reducir emisiones de gases contaminantes generados en el sector transporte, por el uso de combustibles fósiles. El uso del biodiesel reduce las partículas tóxicas liberadas a la atmósfera como resultado de la combustión de combustibles, puede proveer de tal forma, beneficios a la salud humana (Panwar et al., 2011). De igual forma, Lapuerta et al. (2002) exponen en su investigación que la presencia de ésteres de aceites vegetales en el diesel convencional produce una drástica disminución del número de partículas, con un leve incremento en el tamaño medio de las mismas, lo cual, las hace más difícil de ser inhaladas por el ser humano y que se depositen en los pulmones. En un estudio realizado sobre un grupo de ratas sometidas durante 90 días a los gases de emisión, tales como NOx, CO, CO 2, HC, O 2 y material particulado, generados por la combustión del biodiesel, no se observaron resultados nocivos en su salud. Bajo ninguna concentración de los gases de emisión se determinó toxicidad en las ratas; no se observaron muertes anormales que se atribuyan a la exposición de las emisiones; tampoco hubo respuestas oculares adversas, no se afectó su consumo de alimento. Sólo cuando fueron sometidas a un alto nivel de emisiones, las ratas fueron negativamente afectadas, ya que se presentaron dos tipos de lesiones pulmonares, mientras que a concentraciones intermedias no se presentó ningún tipo de efectos adversos (LRRI, 2000). Desempeño Mecánico Chammoun et al. (2013) presentan la evaluación del desempeño de diferentes mezclas, diesel-biodiesel, en un motor diesel estacionario. Los combustibles evaluados fueron biodiesel puro (B100),

6 6 70% diesel y 30% biodiesel (B30) y el diesel convencional. Los parámetros evaluados en el motor en esta investigación fueron el torque, la potencia y el consumo específico de combustible. El torque decrece a medida que aumenta la cantidad de biodiesel en la mezcla, la potencia del motor decrece un 8% cuando se quema B100 y decrece 2% con B30, el consumo aumenta a medida que aumenta la cantidad de biodiesel en la mezcla (aumenta 24% con B100 y 11% con B30). Resultados muy similares a éstos fueron publicados por Lapuerta et al. (2008) quien demostró que el uso del biodiesel en los motores diesel genera en promedio una disminución de un 5% en el torque y en la potencia, y afirmó que el desempeño de los vehículos que usan biocombustibles no se ve afectado notablemente. De igual forma Utlu & Süreyya (2008), en sus ensayos dinamométricos (motores estacionarios y en ruta), con mezclas biodiesel de aceite de soya y diesel, encontró una reducción de potencia inversamente proporcional al porcentaje de biodiesel en la mezcla. Resultados similares fueron reportados por Xue et al (2011), quienes destacaron en su revisión que la potencia disminuía ligeramente al utilizar biodiesel, con un pequeño aumento del consumo de combustible. De igual manera, Wang et al. (2000) reportan una disminución de potencia del 6 al 7% cuando se utiliza B100. En sus investigaciones en una flota de buses y camiones notaron que los conductores de buses no notaron esta diferencia, mientras que los conductores de camión sí experimentaron el cambio, conduciendo cuesta arriba. En Colombia, en cuanto al desempeño, se encontró que el consumo de combustible de los buses que utilizaron las mezclas diesel-biodiesel de palma fue similar al de los buses que utilizaron diesel fósil comprobando que, en promedio, el consumo de combustible se encuentra dentro del rango histórico registrado por todos los buses de la flota del operador Sí99 del sistema de transporte masivo de Bogotá, Adicionalmente se evaluó la aceleración de los vehículos, comprobando que existen valores partes similares de aceleración y que estos se encontraban dentro del estándar de patio manejado por el operador Sí99 (Cenipalma et al., 2009). Metodología La prueba se realizará en un ambiente controlado de fuente móvil, con el vehículo en un dinamómetro de chasis con un programa de manejo de parada y marcha a diferentes velocidades promedio en km/h para diferentes mezclas diesel-biodiesel. Mediante el uso de volantes de inercia y un freno de agua, se reproduce lo que el vehículo experimentaría en el camino. Los gases del escape se diluirán y recolectarán a volumen constante con el aire filtrado circundante, para analizar su concentración. Las emisiones de escape que se medirán, abarcarán tres regímenes de operación del motor. Las emisiones de escape en frío ocurrirán durante los primeros 10 minutos de la prueba. Después de un lapso determinado, se considera que el vehículo se ha calentado completamente y las emisiones estabilizadas se determinarán en los siguientes 15 minutos. El período final de la prueba constituirá los efectos del arranque en caliente. Las emisiones de cada etapa, se recolectarán por separado, para después analizar cuantitativamente su composición. Para HC, CO 2 y CO se utilizan sensores del tipo infrarrojo no dispersivo NDIR

7 7 (Non Dispersive Infrare) los cuales aprovechan la propiedad de varios gases de absorber la radiación infrarroja y con esto modifica la longitud de onda del haz de luz para compararla con un gas de referencia. Para medir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) se utiliza la quimioluminicencia. La quimioluminicencia es la cantidad de luz emitida a causa de una reacción química. Esto se realiza dentro de una cámara de reacción donde se introduce ozono (O 3 ) y NO, liberando dióxido de nitrógeno en estado excitado (NO 2 ) y oxígeno libre. Esta reacción del NO 2 libera radiación en forma de luz que es proporcional a la concentración de NO, esto es detectado por un filtro óptico y se convierte en una señal eléctrica mediante un tubo fotomultiplicador. Para el SO 2 se utilizan sensores que miden la intensidad de la luz fluorescente emitida por las moléculas de SO 2 que absorben radiación ultravioleta (UV), emitiendo un pulso de luz fluorescente de una longitud de onda mayor en el intervalo de 240 a 410 nm. La intensidad de la luz fluorescente emitida es proporcional a la concentración de SO 2. La medición de material particulado (PM) se realiza mediante un sistema de dispersión de un haz de luz. El sistema consiste de una bomba de vacío de bajo caudal que induce el aire con material particulado a través de discos impactadores que filtran las partículas de acuerdo al tamaño (PM10 y PM2.5) hasta llegar a un sensor óptico donde se cuantifica la concentración de partículas en mg/cm3. Resultados esperados Con la ejecución del proyecto de investigación se pretende evaluar el comportamiento de los motores de combustión con la adición de biodiesel de aceite de palma al diesel convencional en diferentes concentraciones. Así como, identificar el impacto ambiental del biodiesel en las emisiones atmosféricas tales como HC, CO 2, CO, NO 2, SO 2 y material particulado (PM10 y PM2.5). Conclusiones Es de vital importancia la investigación de impactos ambientales generados de los productos de la utilización de combustibles fósiles convencionales que afectan a la salud humana como CO, SOx, NOx, e Hidrocarburos, y otros conllevan al incremento de los Gases de Efecto de Invernadero como CO 2, CH 4, de gran incidencia en el cambio climático que afecta hoy a la Tierra. El biodiesel puede mejorar la combustión y por lo tanto tiene una mayor eficiencia térmica del freno que el petróleo diesel. La potencia del motor se reduce ligeramente o no en absoluto, porque el consumo de biodiesel aumenta lo suficiente con el fin de compensar su valor calorífico inferior. Sin embargo, el biodiesel global permite el rendimiento del motor aceptable y que podría mejorarse aún más si la viscosidad se podría reducir. Las ventajas técnicas de biodiesel más de combustible diesel de petróleo incluyen alto número de cetano, punto de inflamación más alto, contenido de oxígeno y libre de azufre, lubricidad mejorada, reducción de emisiones, etc. Referencias Agarwal D., Sinha S. & Agarwal A. (2006). Experimental investigation of control of NOx emissions in biodiesel-

8 8 fueled compression ignition engine. Renewable Energy, 31 (14), Agudelo J., Benjumea P., Meneses E. & Pérez J. (2002). Biodiesel Una revisión del desempeño mecánico y ambiental. Ingeniería & Desarrollo, 13, Cenipalma, Fedepalma, Ecopetrol, Si99 (2009) Biodiesel de palma una alternativa energética confiable y de calidad. Biocombustibles, Ministerio de Minas y Energía. República de Colombia Chammoun N., Geller D. & Das K. (2013). Fuel properties, performance testing and economic feasibility of Raphanus sativus (oilseed radish) biodiesel. Industrial Crops and Products 45, Choo, Y. & Ma A. (2000). Plant Power. Chemistry & Industry, 16, 530. Fang T., Lin Y., Foong T. & Lee C., (2008). Reducing NOx emissions from a biodiesel fueled engine by use of lowtemperature combustion. Environmental Science and Technology, 42, Federación Colombiana de Biocombustibles (2011). En Línea: /nota-web-id-1110.htm Hoekman K. & Robbins C., (2012). Review of the effects of biodiesel on NOx emissions. Fuel Processing Technology, 96, Janaun J. & Ellis N. (2010). Perspectives on biodiesel as a sustainable fuel. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, (4), Lapuerta M., Armas O. & Rodríguez J. (2008). Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions. Progress in Energy and Combustion Science, 34 (2), Lapuerta, M., Armas, O. & Ballesteros, R., (2002). Diesel particulate emissions from biofuels derived from spanish vegetable oils. SAE paper Lavelace Respiratory Research Institute (LRRI), (2000). National Biodiesel Board (NBB). Tier 2 testing of biodiesel exhaust emissions. Study report Nº FY Mekhilef S., Siga S. & Saidur R. (2011).A review on palm oil biodiesel as a source of renewable fuel. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, (4) Ministerio de Minas y Energía. República de Colombia. (2009). Biocombustibles Fuente de Desarrollo Sostenible para Colombia. Panwar, N., Kaushik, S. & Kothari S. (2011). Role of renewable energy sources in environmental proteccion: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (3), Tickell J., (2000). From the fryer to the fuel tank, The complete guide to using vegetable oil as an alternative fuel. Tickell Energy Consulting. United States of America. Utlu Z. & Süreyya M. (2008). The effect of biodiesel fuel obtained from waste frying oil on direct injection dieselengine performance and exhaust emissions. Renewable Energy, 33, (8), Wang, W., Lyons, D., Clark, N., Gautam, M. & Norton, P., (2000). Emissions From Nine Heavy trucks fueled by diesel and biodiesel blend without engine modification. Environmental Science and Technology, 34, (6) 933. Xue J., Grift T. & Hansen A. (2011). Effect of biodiesel on engine performances and emissions. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, (2), Yanfen L., Zehao H. & Xiaoqian M. (2012). Energy analysis and environmental impacts of microalgal biodiesel in China. Energy Policy, 45,

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