3 Revisión de Literatura

Transcripción

1 3 Revisión de Literatura 3.1 Antecedentes En Colombia existe la Red de Investigación Participativa en el cultivo de la Higuerilla (Ricinus communis L.) con el proyecto Evaluación de ambientes y materiales de Higuerilla para la producción de aceite y biodiesel, en el que se destaca a la Higuerilla con gran favorabilidad para la producción industrial de biodiesel, pues se trata de una planta oleaginosa de la cual se extrae un aceite de gran valor en el mercado internacional, y ofrece buenas perspectivas comerciales actuales y a futuro. [1] En Argentina se ha hablado acerca de los biocombustibles de primera (basada en materias primas comestibles, como la caña de azúcar y el aceite de soya), segunda (basada en materias primas no comestibles, como la jatropha o las microalgas utilizando tecnología tradicional) y hasta tercera (a producirse con tecnologías de vanguardia utilizando celulosas no comestibles como residuos de madera o variedades de pasto) generación en la industria. Estos representan distintos modelos en la evolución de los biocombustibles. Estados Unidos, ha anunciado un gran empuje hacia los de segunda y tercera generación, a expensas de los biocombustibles de primera generación, que son los que se producen actualmente en Argentina. [2] En Michoacán, México el objetivo inicial era producir 2 mil 600 toneladas anuales de aceite de Higuerilla a partir de 2006, dado que este estado cuenta con características de clima para el cultivo de la planta como la baja precipitación pluvial, los suelos profundos, bien drenados y con pobreza orgánica. [3] 3-1

2 En México la producción de biodiesel a un nivel comercial puede ser una realidad en el mediano plazo de realizar acciones integrales que deben incluir aspectos técnicos, económicos y medioambientales. Dentro de los aspectos económicos los precios de producción del biodiesel, los cuales se encuentran en un rango de entre $5.3 a $12.4 pesos por litro equivalente, son mayores que el costo de oportunidad del diesel comercializado por PEMEX. [4] 3.2 Diesel Es una combinación compleja de hidrocarburos producida por la destilación del petróleo crudo. Consiste de cadenas hidrocarbonadas en el rango de C9 a C20 predominantemente. Hay muchas razones por las que el diesel se usa ampliamente. Tiene ciertas ventajas claves sobre otros tipos de combustibles y motores [5]: Poder y durabilidad. Los motores diesel son poderosos y durables, porque producen grandes cantidad de torque (propiedad de la fuerza para hacer girar a un cuerpo) a bajas velocidades del motor. Pueden servir para mover un gran peso desde el inicio o en colina. Eficiencia energética Los motores diesel son extremadamente eficientes energéticamente: usan hasta 60 % menos combustible por milla que los motores de gasolina o gas natural. Seguridad Comparado a combustibles alternativos, el diesel es estable, seguro y fácil de usar, y no requiere un manejo especial ni almacenado. 3-2

3 3.3 Biodiesel El 31 de Agosto de 1937 a G. Chavanne de la Universidad de Bruselas (Bélgica) se le concedió la patente 422,87 Procedimiento para la transformación de aceites vegetales para sus usos como combustibles. Describe el uso de etilésteres del aceite de palma como combustible. Esta patente constituye el primer reporte de lo que ahora se conoce como biodiesel. [6] El biodiesel recientemente se ha vuelto una opción atractiva para disminuir el uso de diesel debido a sus beneficios ambientales, dado que es un derivado de biomasa renovable. Con el reciente incremento del precio del petróleo e incertidumbres que involucran la disponibilidad del petróleo, hay un interés renovado en combustibles de aceite vegetal para motores diesel. [7, 8] El biodiesel es definido como un éster monoalquílico de ácidos grasos de cadena larga derivados de triglicéridos de plantas y/o animales a través del proceso de transesterificación para uso en motores de encendido por compresión. El biodiesel puede ser usado en una máquina con o sin modificaciones, en mezclas con diesel o como un combustible puro. Los calores de combustión mayores y menores del biodiesel son y kj/kg, respectivamente. [9] El rápido incremento del precio en los alimentos ha sido una molestia para los países en desarrollo. Se estima que los factores que contribuyen a este aumento en el precio son la producción de biocombustibles a partir de cereales y oleaginosas, el aumento en el costo de producción de alimentos debido al incremento del precio de la energía, entre otros. [10] Se ha evaluado que el biodiesel rinde 93% más energía que la invertida en su producción; en cuanto a los combustibles fósiles los gases de efecto invernadero son reducidos un 41% por la producción y combustión de biodiesel 3-3

4 mientras menos contaminantes son liberados por unidad de energía ganada. Mientras que las fuentes de triglicéridos son variadas a nivel mundial, más del 90% del biodiesel en los Estados Unidos está hecho de aceite de soya. [11] Incrementando la producción de soya, puede haber una reacción positiva en la agricultura a través de una mayor cantidad de alimentos a base de soya e implícitamente más carne para usarse como alimento y más suministro de triglicéridos para la producción de biodiesel. Aunque estos beneficios son atractivos, el costo final actual del biodiesel es demasiado alto sin los subsidios del gobierno. Debido a los contaminantes presentes en la materia prima (como agua y ácidos grasos libres) o impurezas en el producto final (como glicerol, metanol y jabones), existe la necesidad de crear nuevas tecnologías que involucren múltiples pasos en el pretratamiento de triglicéridos y en la separación/purificación de biodiesel. [11] Las ventajas del biodiesel como combustible son [7]: Naturaleza líquida: porque es portable. Disponibilidad: porque se cuenta con una vasta cantidad de materia prima. Renovabilidad: porque proviene de biomasa, la cual se puede renovar. Menor contenido de azufre: porque el azufre es un contaminante que contribuye a la generación de lluvia ácida. Menor contenido aromático: porque los compuestos aromáticos son nocivos para la salud, es decir se consideran cancerígenos. Biodegradabilidad: porque se degrada rápidamente. Las desventajas del biodiesel como combustible son [7]: Mayor viscosidad: porque la calidad del arranque en frío se degrada a viscosidades elevadas. Menor volatilidad: porque requiere mayor temperatura de evaporación y esto puede ocasionar problemas en el encendido y/o combustión. 3-4

5 La reactividad de cadenas insaturadas de hidrocarburos: porque los dobles enlaces se rompen fácilmente, permitiendo que se oxiden. 3.4 Diesel vs. biodiesel Para poder apreciar las diferencias del diesel y biodiesel se necesita hacer una comparación que brinde un panorama más amplio de cual beneficie a la sociedad en aspectos tanto energéticos como ambientales. A continuación se presentan algunas características de estos combustibles: Comparación de diesel y biodiesel El diesel y biodiesel presentan propiedades físicas y químicas similares y distintas como se muestra en la Tabla 3-I, estas dependen de diferentes factores como la materia prima utilizada y el proceso de fabricación. Para los 2 combustibles el olor es suave, es decir no agresivo al olfato; el color es amarillo para ambos casos y en el caso del diesel puede variar hasta incoloro; las presiones vapor son relativamente cercanas; el rango de la temperatura del punto de ebullición del diesel es menor que la del biodiesel en su mayoría; la solubilidad en agua para los 2 casos es despreciable; y la temperatura del punto de inflamación es mayor para el biodiesel. 3-5

6 Tabla 3-I.- Comparación de las propiedades diesel-biodiesel. Combustible Propiedad Diesel Biodiesel Olor Suave Suave Color Desde incoloro hasta ámbar/paja Amarillo Claro Presion Vapor <0.1 kpa a 20 C < kpa Punto de Ebullicion 180 C C 315 C (599 F) Solubilidad en Agua <0.1% masa a 20 C Despreciable Punto de Inflamación > 125 F (> 52 C) 321 F (161 C) Especificación para biodiesel (ASTM D ): Punto de ebullición 360 C max, punto de inflamación 130 C min. Referencia: [12-14] Algunas semejanzas y diferencias entre el biodiesel y el diesel de petróleo son las siguientes [7]: El peso específico es mayor para el biodiesel, el calor de combustión es menor, y las viscosidades son de 1.3 a 2.1 veces las del diesel de petróleo. Los puntos de fluidez para el combustible biodiesel varían desde una temperatura de 274 a 298 K dependiendo de la materia prima. El contenido de azufre para el biodiesel es de un 20 a 50% que el contenido en el diesel de petróleo. 3-6

7 Propiedades a favor del biodiesel [15]: Es menos volátil, más seguro de transportar y manipular, debido a que tiene un punto de inflamación (punto de flasheo) relativamente alto (>150 ºC). Contiene 11% de oxígeno en peso y no contiene azufre, disminuyendo las emisiones de las partículas sólidas. Mejora la lubricidad del combustible, aumentando la vida útil de los motores. Es altamente biodegradable en el agua, por lo que en caso de derrame se degrada más rápidamente que el diesel convencional. No es tóxico, es aproximadamente 10 veces menos tóxico que la sal común (NaCl). Reduce la dependencia de los combustibles fósiles. Reduce el calentamiento global debido a que emite menos CO 2 en su ciclo de vida, que el fijado mediante el proceso de fotosíntesis por las plantas usadas para producirlo. Tiene una combustión más completa que el diesel, disminuye en un 90% la cantidad de hidrocarburos no quemados y en 80% los aromáticos. Propiedades en contra del biodiesel [15]: Tiene una escasa estabilidad hidrolítica y oxidativa, por lo que durante almacenamientos prolongados (más de 6 meses) sus cualidades técnicas pueden ser alteradas. Su costo depende de la materia prima que se utilice para su elaboración. 3-7

8 Cuestiones económicas. Las razones económicas han sido uno de los mayores obstáculos en el uso de biodiesel. El combustible diesel derivado de aceites vegetales es más costoso que el diesel de petróleo dado que la materia prima para la producción de biodiesel es más costosa que el diesel convencional, entre un 200 y 300%. Por ejemplo, en los Estados Unidos, un galón de aceite de soya cuesta aproximadamente de 2 a 3 veces más que un galón de diesel convencional. Sin embargo, en el caso de convertir aceites vegetales o grasas a ésteres, el glicerol resultante como coproducto, el cual tiene un mercado potencial por sí solo, podría aminorar algunos de los costos. [16] En la mayoría de los países Europeos, no obstante, los combustibles para el uso de transportación cuentan con un impuesto muy alto el cual puede ser aplicado para alentar el uso de biodiesel de tal forma que se reduzcan o se anulen los impuestos de los biocombustibles y que se aumenten los de los combustibles a base de petróleo como el diesel convencional. Este subsidio abarata artificialmente el biodiesel para hacerlo competitivo. En muchos países desarrollados, la preocupación es convertirse independientes de las importaciones de petróleo. En los Estados Unidos, el mecanismo de los impuestos es inaplicable debido al bajo impuesto que se tiene para los combustibles destinados al transporte. Sin embargo, el biodiesel es atractivo por otras razones que ya se han mencionado hasta el momento. Además de ser un recurso renovable y por consiguiente crear independencia sobre el petróleo sin tener que acabar con los recursos naturales, la salud y el medio ambiente son las fuerzas motrices para dejar a un lado los aspectos económicos en algunos casos. [16] 3-8

9 3.4.2 Comparación de diesel y biodiesel en el ámbito energético La Tabla 3-II muestra el total de la energía primaria requerida para la producción y uso del diesel de petróleo en E.U.A. Al ver la tabla se puede apreciar que megajoules (MJ) de energía primaria se usan para producir 1 MJ del combustible diesel de petróleo. Esto corresponde a una eficiencia energética de %. Tabla 3-II.- Energía primaria requerida para diesel de petróleo. Energía Primaria (MJ por MJ de combustible) Porcentaje (%) Etapa Producción Nacional de Petróleo Crudo Producción Extranjera de Petróleo Crudo Transporte Nacional de Petróleo Crudo Transporte Extranjero de Petróleo Crudo Refinación de Petróleo Crudo Transporte de Combustible Diesel Total Referencia: [8] 3-9

10 Como se observa en la Tabla 3-II, los pasos para la producción de diesel de petróleo están clasificados en orden de mayor a menor en términos de demanda de energía primaria. El 93 % de la demanda de la energía primaria corresponde a la extracción del petróleo crudo del subsuelo. El otro 7 % lo domina la refinación del petróleo crudo y una parte mínima el transporte. Para el caso del biodiesel la Tabla 3-III muestra el total de la energía primaria requerida en cada paso del ciclo de vida de este combustible, en E.U.A. Un MJ de biodiesel requiere un aporte de MJ de energía primaria, resultando en una eficiencia energética del ciclo de vida de %. Para este caso se analiza el aceite de soya. De igual modo los pasos para la producción de biodiesel de soya están enlistados en orden descendiente según la energía primaria que demandan. Tabla 3-III.- Energía primaria requerida para el ciclo de vida del biodiesel. Etapa Energia Primaria (MJ por MJ de combustible) Porcentaje (%) Agricultura (soya) Transporte (soya) Prensado (soya) Transporte (aceite de soya) Transformacion (aceite de soya) Transporte Biodiesel Total Referencia: [8] 3-10

11 Ahora bien, comparando la tabla perteneciente al diesel y al biodiesel, las demandas de energía primaria son esencialmente equivalentes. El biodiesel cuenta con un % de eficiencia energética en su ciclo de vida, comparado con el % del diesel de petróleo. La pequeña diferencia de eficiencias refleja una demanda un poco mayor de energía en el transcurso del ciclo de vida para la producción de biodiesel. [8] Comparación de diesel y biodiesel en el ámbito ambiental Uno de los objetivos principales de producir combustible biodiesel es el de preservar el medio ambiente. En esta sección solo se hará referencia a la contaminación por emisiones de gases de los diferentes tipos de combustible, diesel y biodiesel. Como contaminante mayoritario se encuentran las emisiones de CO 2 que son el principal causante del efecto invernadero, por ello la biomasa juega un papel muy importante en la dinámica del flujo de carbón en la biósfera. En la Tabla 3-IV se puede apreciar la contribución de CO 2 de cada combustible, donde se refleja que el biodiesel genera menos emisiones de este gas que el diesel de petróleo. Tabla 3-IV.- Contribución de CO 2 de diesel de petróleo y el biodiesel. Diesel de Petróleo (g CO 2 /bhp-h) Biodiesel (g CO 2 /bhp-h) Ciclo Total de Vida Fósil CO Ciclo Total de Vida Biomasa CO Ciclo de Vida Total CO Tubo de Escape Fósil CO Tubo de Escape Biomasa CO Tubo de Escape Total CO % del Total de CO 2 del Tubo de Escape 86.54% 84.43% *bhp-h = caballos de fuerza al freno-hora Referencia: [8] 3-11

12 Continuando con las emisiones de CO 2, en la Figura 3-1, se puede apreciar que son 78.45% menores para el B100 en comparación al diesel de petróleo. Esto se debe a la biomasa, en este caso se tomó en cuenta las plantas de soya, que recicla el carbón. Otra mezcla, la B20 (20% biodiesel, 80% diesel), que es muy utilizada solo reduce el 15.66% de la emisiones de CO 2 por galón de combustible usado. Figura Emisiones de CO 2 de diesel de petróleo y biodiesel. Otras emisiones de los combustibles que contaminan el aire son: Óxidos de Azufre (SOx), Metano (CH 4 ), Benceno (C 6 H 6 ), Formaldehído (CH 2 O), Óxido nitroso (N 2 O), Acido Clorhídrico (HCl), Ácido Fluorhídrico (HF), Amoniaco (NH 3 ); estas en términos molares son mucho menores a las de CO 2. En la Figura 3-2 se resumen las diferencias en las emisiones del ciclo de vida del biodiesel (B100 y B20) contra el diesel de petróleo. 3-12

13 El reemplazar el diesel de petróleo por biodiesel en un camión urbano reduce las emisiones a la atmósfera en todo un ciclo de vida de la mayoría de los contaminantes, a excepción de los óxidos de nitrógeno (NOx), ácido clorhídrico (HCl) y el total de hidrocarburos (THC). TPM: total de partículas menores a 10 micras y otras no especificadas [8]. THC: total de hidrocarburos (metano, benceno, formaldehido y otros no especificados) [8]. Figura Emisiones a la atmósfera de B100, B20 y diesel de petróleo. El diesel de petróleo está indicado como la línea de 0.00 % de emisiones, es decir, a partir de esta emisión base se presentan las diferencias entre el B20 y B100, ya sea un porcentaje mayor o menor que las emisiones del diesel de petróleo. 3-13

14 Cabe señalar que el siguiente contaminante más importante para la salud humana y calidad ambiental es el NOx. Si se quiere controlar la contaminación a nivel suelo en áreas urbanas se deben de tomar en cuenta estas emisiones, además de los hidrocarburos totales y el monóxido de carbono. [8] Porcentajes de utilización y su desempeño Se puede sustituir una cantidad significativa de diesel de petróleo añadiendo cantidades moderadas de biodiesel al diesel que se usa diariamente para el transporte, la industria, y entretenimiento. El biodiesel se pude usar puro (B100) o en mezclas con diesel de petróleo en cualquier proporción. Las mezclas más populares son la B20 (20% biodiesel), la B5 y la B2. Cualquier motor diesel puede operar con estas mezclas sin tener que modificarlo o modificándolo muy poco. Cuando es usado en mezclas menores a B5 el usuario no nota que está presente, pero cuando se usa a un nivel de B20 el usuario podría notar la disminución en el poder, torque y el ahorro de combustible, pero es muy probable que pasara desapercibido ya que esos cambios solo son del 1 o 2%. [17] Como se observó en el punto las emisiones se reducen dependiendo del nivel de la mezcla (Figura 3-3) y solo aumentan para el caso de NOx, HCl, THC. El efecto es lineal con los diferentes niveles de mezcla. 3-14

15 Referencia: [18] Figura Impacto atmosférico de mezclas biodiesel-diesel. 3-15

16 Para una relación numérica y no porcentual de las emisiones de la combustión de un camión urbano se agrega la Tabla 3-V, donde se estiman estas emisiones para el ciclo de vida de la mezcla B20 y del biodiesel puro (B100); se puede apreciar que el combustible B100 presenta mejoras en casi la totalidad de las emisiones, aunque el uso de esta mezcla está limitado por el avance tecnológico de los motores diesel. Para el caso de otras mezclas, B5, B10, B25, etc., los valores de las emisiones se pueden extrapolar de la misma tabla. [8] Tabla 3-V.- Efecto de mezclas biodiesel-diesel en los gases de combustión. Emisión B20 B100 Dióxido de Carbono (fósil) Dióxido de Carbono (biomasa) Monóxido de Carbono Hidrocarburos Partículas (PM10) Óxidos de Azufre (SOx) Óxidos de Nitrógeno (NOx) Referencia: [8] 3-16

17 3.5 Obtención de biodiesel El biodiesel, como se aclara en la sección 1.2, es un combustible renovable sustitutivo del diesel que proviene del procesamiento de aceites vegetales, tanto naturales como reciclados (soya, girasol, palma, higuerilla, etc) y de grasas animales. Se le obtiene mediante el proceso de transesterificación de los aceites por reacción química con alcohol para formar ésteres grasos (biodiesel) y glicerina. A continuación se presentan las 3 etapas en que se divide el proceso de obtención de biodiesel. [15] Materia prima Aceites vegetales: Provenientes de todo tipo de plantas oleaginosas (palma africana, soya, higuerilla, girasol, colza, entre otros). [15] Palma africana: El aceite de palma se extrae de la pulpa; el rendimiento de un racimo oscila entre el 17 y el 27%. El biodiesel obtenido del aceite de palma tiene mayor estabilidad oxidativa que el biodiesel de aceite de soya. Soya: Es el cultivo oleaginoso de mayor importancia a nivel mundial, Estados Unidos, Brasil y Argentina son los principales productores. Contiene el 18% de aceite (85% no saturado) y 38% de proteína. Higuerilla: El aceite se extrae de la semilla (Figura 3-4) que es considerada la mejor materia prima para producir biodiesel, porque su aceite es el único soluble en alcohol, y el proceso de obtención de aceite no requiere calor y el consecuente gasto de energía que exigen otros aceites vegetales en su transformación a combustible. 3-17

18 Grasas animales: Se pueden obtener como subproductos del faenamiento (procesamiento higiénico de animales para la obtención de carne para el consumo humano) de ganado vacuno, porcino, etc. [15] Figura Semilla de Higuerilla. 3-18

19 3.5.2 Procesamiento Químicamente, la transesterificación (también llamada alcohólisis) consiste en tomar una muestra de triglicéridos, neutralizar los ácidos grasos libres, remover la glicerina, y crear un éster de alcohol de cadenas menores a las del glicerol (Figura 3-5). En la Figura 3-6 se indica a grandes rasgos este proceso, desde la entrada de materia prima, el uso de reactivos, modificación de variables hasta la salida de productos. Referencia: [7] Figura Reacción de transesterificación. 3-19

20 Referencia: [15] Figura Proceso de producción de biodiesel. 3-20

21 Un catalizador se usa generalmente para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento. Teóricamente, la reacción de transesterificación es una reacción en equilibrio. En esta reacción, sin embargo, se utilizó una mayor cantidad de metanol para cambiar el equilibrio de la reacción hacia el lado derecho y producir más metilésteres como producto. En general la reacción de transesterificación se da por tres reacciones consecutivas y reversibles como se indica a continuación en la Figura 3-7: Referencia: [7] Figura Reacciones de transesterificación. La reacción de transesterificación puede ser catalizada a través de catalizadores homogéneos y heterogéneos. En turno, los catalizadores homogéneos incluyen ácidos y bases (álcalis). Los catalizadores álcalis más comúnmente usados son el hidróxido de sodio, metóxido de sodio e hidróxido de potasio. Ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, y el ácido sulfónico normalmente se prefieren como catalizadores ácidos. Los catalizadores alcalinos muestran un alto rendimiento al momento de obtener biodiesel de alta calidad, pero el problema surge cuando los aceites contienen cantidades significativas de ácidos grasos libres los cuales se convierten en jabón y no en biodiesel. Finalmente, los catalizadores heterogéneos incluyen enzimas, silicatos de titanio, compuestos metálicos alcalino-térreos, resinas de intercambio aniónico, entre otros. [7] 3-21

22 Estudios realizados han revelado que la velocidad de reacción es fuertemente influenciada por la temperatura. Sin embargo, la reacción es conducida cercana al punto de ebullición del metanol ( K) a presión atmosférica por un tiempo determinado. Tales condiciones de reacción requieren de la remoción de ácidos grasos libres del aceite mediante la refinación o preesterificación. Por consiguiente, el aceite desgomado y desacidificado es usado como materia prima. El pretratamiento no es requerido si la reacción es llevada a presiones elevadas (9000 kpa) y altas temperaturas (513 K), donde simultáneamente la esterificación y transesterificación toman lugar con un máximo rendimiento obtenido a temperaturas que varían desde los 333 hasta los 353 K. [7] Productos y usos Los productos de la etapa del proceso de transesterificación indicados en la Figura 3-6, son el biodiesel y la glicerina. El biodiesel sirve como combustible alternativo del diesel de petróleo, ya sea puro (B100, 100% biodiesel) o en mezclas (sección 3.4.4). La glicerina, también llamada 1,2,3-Propanotriol, es usada en la elaboración de cosméticos y medicamentos como excipiente, entre otros. 3-22