DECIO GAZZONI
INGENIERO AGRÓNOMO
La biomasa se utiliza hace milenios para producir energía. Carbohidratos, en especial de alto peso molecular – celulosa y hemicelulosa – y lignina, así como lípidos – aceites y grasas- están entre las principales fuentes de biomasa para la generación de energía.
En esta oportunidad, nos interesa analizar de cerca el uso de lípidos, los cuales en tiempos antiguos se utilizaban como combustibles de antorchas y lámparas, hasta los usos mas nobles y mas eficientes de la era contemporánea.
Los lípidos son substancias que contienen ácidos grasos en su composición, los cuales son cadenas carbónicas saturadas o insaturadas (existe por lo menos una ligación dupla entre dos átomos de carbono).
En los lípidos, los ácidos grasos están unidos a una molécula de glicerina, por eso son llamados químicamente de triglicéridos. Cuando un lípido es hidrolizado, sus componentes originales son liberados: glicerina y ácidos grasos unidos a ella.
En el caso de la transesterificación, aunque los ácidos grasos no sean liberados, la molécula de glicerina (trialcohol) se separa de los ácidos grasos que forman parte del lípido, los cuales se unen a otro alcohol como metanol o etanol, por ejemplo.
Los lípidos pueden presentarse, a temperatura ambiente, como sólidos en forma de grasas o líquidos viscosos en forma de aceite. En general, las grasas presentan altos tenores de ácidos grasos saturados en su composición, lo que implica un elevado punto de fusión. Los aceites presentan diferentes tenores de ácidos grasos insaturados, siendo tanto mas bajo el punto de fusión cuanto mayores fuesen las insaturaciones y/o los tenores de ácidos grasos insaturados.
No por acaso los lípidos son utilizados hace mucho tiempo como fuente energética pues, comparativamente, por ejemplo con la madera y otros productos lignocelulósicos, poseen una densidad energética casi 150% superior. Por lo tanto, la portabilidad y el almacenaje de una misma cantidad de energía potencial se efectúan con mucho mas facilidad. La liberación de la energía química que da potencia los lípidos ocurre a través de una reacción exotérmica en que los átomos de carbono y de hidrogeno son oxidados, formando agua y dióxido de carbono (gas).
De las antorchas para uso de los motores.
Utilizado como combustible milenariamente en las antorchas y lámparas el aceite fue aprovechado también en los motores de combustión interna, con la quema controlada de los lipidos y la búsqueda de la optimización de aprovechamiento energético. Una determinada cantidad de combustible (que puede ser un aceite vegetal puro o transesterificado) es inyectado en presencia de cierta cantidad de oxigeno, bajo altas temperaturas y presión, ocurriendo la combustión espontánea del combustible. El valor de referencia es la masa estequiométrica de oxigeno capaz de reaccionar con el combustible para, idealmente, promover su combustión completa. O sea, los cálculos de admisión del aire que contiene cerca de 21% de oxigeno y de la inyección de combustible son efectuados de manera que la reacción química (combustión) sea de forma satisfactoria.
Sin embargo, en la practica todos sabemos que la teoría es otra y en condiciones operacionales normales no se obtiene una combustión completa de los combustibles. El balance térmico de una combustión es hecho por medio del análisis del calor liberado, de la temperatura de combustión y de la cantidad de calor perdido en el proceso. A partir de estos cálculos, se busca maximizar la energía química transformada en potencia efectiva. Por ejemplo, la combustión incompleta, representada por la presencia de hidrocarburos, de monóxido de carbono o material particulado puede ser reducida aspirándose una cantidad de aire superior al cálculo teórico. Es una solución económicamente viable, pues el aire en si, como no tiene costo, permite que la combustión sea tan próxima de ser completa cuanto posible.
El aceite vegetal en motores Diesel.
El uso de aceites vegetales en motores de ciclo diesel, sin su conversión en biodiesel, es muy controvertida y posee tanto defensores como opositores aguerridos. El principal argumento favorable es su costo mas bajo, puesto que no es necesario la transformación del aceite vegetal (o grasa animal) en biodiesel, proceso que aumenta su precio en aproximadamente 20% debido al procesamiento industrial.
Por otro lado, se argumenta que el aceite vegetal es muchos mas viscoso que el diesel (Una de las principales razones para la producción de biodiesel a partir de lípidos es aproximar su viscosidad a aquella del petrodiesel, lo que conduce a una mayor presurización de las líneas de combustibles, además de lograr la combustión mas incompleta, con formación de depósitos y de puntos calientes en la cámara de combustión, produciéndose la polimerización y emisión de dioxina, entre otros aspectos. En esta ocasión, voy a presentar los argumentos de los defensores del uso de aceite vegetal como combustible, sea puro o en mezcla con diesel de petróleo.
El aceite vegetal refinado es utilizado como combustible en Europa, especialmente en Alemania, desde la década de 1990, en vehículos de transporte y en motores estacionarios para la generación de energía eléctrica. En Brasil, el Inmetro (1) y la Fiat están desarrollando conjuntamente un sistema que permite operar motores diesel con aceite vegetal sin convertirlo en biodiesel.
Previendo un eventual éxito de este proceso, el Inmetro suscribió un acuerdo con el National Institute of Standard and Technology (NIST) de EEUU, para establecer padrones de medición para los biocombustibles, en el cual se ha incluido el aceite vegetal puro. Proyecto similar esta siendo desarrollado entre el NIST y la Comunidad Europea mediante el Proyecto Miorama, el cual incluye la capacitación de los laboratorios para medir la calidad de los biocombustibles.
En Europa, mas especialmente en Alemania, el internacionalmente conceptuado Deutsches Institut für Noumung e.V. Liberó la norma DIN V 51.605 (especificaciones de combustibles para motores de combustión compatibles con aceites vegetales y métodos de prueba). En Brasil el Instituto Tecnológico de Paraná (TECPAR) analizó los aceites refinados de maravilla, algodón, maíz y canola producidos en el país, constatando que los mismos están dentro de las normas DIN V 51.605.
Solucionando problemas.
La empresa Elsbett de Alemania, desarrolló una tecnología para uso de aceites vegetales como combustible en un motor a diesel para servicio pesado, con una serie de modificaciones en relación a los motores de ciclo diesel convencionales. En el motor Elsbett, la operación con aceite vegetal mantiene las características operacionales y de potencia semejantes a la operación con diesel de petróleo, de acuerdo con el fabricante.De esta forma, la combustión del aceite vegetal en la cámara de combustión se asemeja al diesel.
El primer contratiempo (talvez el principal) que necesita ser resuelto en un motor diesel convencional para funcionar con aceite vegetal es la elevada viscosidad de este. La solución propuesta es el calentamiento del aceite vegetal de manera que, al ingresar en el circuito bomba-filtro-bomba inyectora-boquilla inyectora, su viscosidad este próxima de aquella del diesel. Esto se obtiene elevando la temperatura del aceite hasta cerca de 85° C. Normalmente, se aprovecha el circuito de agua de enfriamiento (a veces de los gases del tubo de escape) para promover una transferencia de calor para el aceite vegetal, que funciona como un intercambiador de calor. Este sistema fue inicialmente desarrollado en Europa, siendo posteriormente probado e evaluado en EEUU y en Brasil y es compuesto de un kit de adaptación del circuito de combustible para promover el calentamiento del aceite.
El kit incluye un segundo tanque de combustible, específicamente para almacenar el aceite vegetal, y utiliza el agua caliente del sistema de enfriamiento del motor y, eventualmente, mediante el uso de resistencia eléctricas, para calentar el aceite y reducir su viscosidad. El objetivo final es alcanzar una temperatura del aceite que permita al sistema de inyección del motor hacer una atomización adecuada del combustible en la cámara, permitiendo su combustión en niveles similares al diesel de petróleo.
En las pruebas realizadas con el kit, no es necesario realizar ninguna modificación en los motores. Para dar la partida con el motor en frío se utiliza exclusivamente una pequeña cantidad diesel. Una vez que se alcanza la temperatura normal de funcionamiento del motor – después de 5 a 10 minutos de operación – y consecuentemente el calentamiento del aceite vegetal, este pasa a ser utilizado en forma automática. Poco antes de desconectar el motor, si el vehículo queda detenido por un tiempo prolongado el suministro de aceite vegetal se suspende, y el motor funciona exclusivamente con el diesel para que las cañerías o conductos, el filtro y al bomba inyectora estén llenos de diesel, lo que facilita la próxima partida.
La pruebas de laboratorio han sido muy importantes para determinar el comportamiento del aceite vegetal en función de la temperatura. De acuerdo con las pruebas realizadas por Elsbett en Alemania, el tamaño de la gota, disminuye acentuadamente con el aumento de la temperatura del aceite vegetal. Igualmente ocurre con reducción de la tensión superficial que se produce con el aumento de la temperatura, siendo que, a los 75° C la tensión superficial de la gota del aceite vegetal alcanza un valor equivalente a la del diesel a 4° C, que es considerada una temperatura habitual de ese combustible al llegar a la bomba inyectora.
Igualmente se verifica una reducción acentuada de la viscosidad en función del aumento de la temperatura, especialmente en el rango entre 40° C. a 110° C, la viscosidad del aceite vegetal se iguala a la del diesel de petróleo a 40° C. Mientras tanto, a partir de 85° C, las diferencias de viscosidad entre los dos combustibles, para efectos prácticos, es imperceptible y permite el funcionamiento del motor en forma semejante.
Hace cerca de 5 años, en el Estado de Mato Grosso, Brasil, se observó una conjunción favorable para el uso de aceite vegetal en maquinaria agrícola, proveniente de soya y algodón, cuyos precios alcanzaron un nivel muy bajo en el mercado internacional, reflejándose en bajos precios en el mercado doméstico, agravado en el caso de Mato Grosso por el alto costo del flete para el transporte de la soya a los puertos de destino: Paranaguá y Santos; por otra parte, el precio del diesel alcanzó un peak alto, convirtiéndose altamente desfavorable los términos de intercambio y elevando el costo de producción.
En determinado momento, en la temporada 2004-2005, el aceite vegetal en Mato Grosso costaba 50 % del precio del diesel, lo que llevó a muchos productores rurales a utilizar el aceite vegetal refinado, mezclado con diesel o en estado puro, sin mezclarlo, en maquinas, vehículos y tractores. Según numerosos agricultores que utilizaron aceite como combustible, en el primer momento los vehículos y maquinas funcionaron normalmente, como si estuviesen operando con diesel, sin embargo, con el uso continuado, se observaron diversos problemas en la bomba inyectora y en sistema mecánico – algunos bastantes graves -. El argumento esgrimido por los defensores del uso de aceite vegetal es que, en aquel momento, no se utilizó el kit de adaptación para el calentamiento del aceite vegetal, lo que provocó los problemas Como refuerzo de este argumento, es necesario recordar que Deutz, fabricante de tractores y motores diesel en Europa (Alemania e Italia) lanzó en 2007 el tractor Agrotron Natural Power, desarrollado para funcionar con 100% de aceite vegetal refinado, utilizando el sistema de dos estanques de combustibles y un kit de adaptación (Figura 7).
Este tractor se vende con garantía de 2.000 horas o 2 años, desde que el aceite refinado cumpla con la norma DIN V 51.605. De acuerdo con las pruebas oficiales realizadas en Europa, los aceites vegetales refinados disponibles en el mercado – soya, maravilla, maíz, algodón y canola – están de acuerdo a las exigencias de estas especificaciones técnicas.
El cumplimiento de las especificaciones de la norma DIN permite el uso de aceites ya disponibles en el mercado. En el caso de aceites vegetales usados en restaurantes y residencias no existe tecnología disponible, de bajo costo, que posibilite su adecuación a las especificaciones de la norma. Los dos problemas que se anticipan, en el caso de aceites utilizados en fritura, no son de carácter técnico, si no mas bien de escala y logística.
En primer lugar, los combustibles son usados en escala de muchos billones de litros, mientas que el aceite de fritura es usado en escala de pocos millones de litros y se encuentra muy dispersos. Debido a esto, es necesario una enorme dosis de cooperación, buena voluntad y de conciencia para hacer que todos los consumidores de aceite de fritura, trasnsporten su producto a centros de acopio para facilitar su recolección y futuro procesamiento industrial.
Para finalizar, es interesante señalar que hasta ahora en Europa, con la instalación del kit, se han convertido locomotoras, buses, automóviles y motores estacionarios a diesel para uso con aceite vegetal.
Brasil, Marzo 2011.
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(*) Decio Gazzoni, es Ingeniero Agrónomo de amplia experiencia profesional, que se desempeño
durante muchos años como Investigador en el Centro Nacional de Investigacion de Soya, de la Empresa Brasileña de Investigaciones Agropecuarias (EMBRAPA) en Londrina, Estado de Parana, Brasil.
Durante el Gobierno del Presidente Ignacio Lula da Silva, Gazzoni, se desempeño como Coordinador Responsable en la elaboración de Plan Nacional de Agroenergía de Brasil y desde hace algunos años es miembro del Panel Científico Internacional de Energías Renovables.
El Dr. Gazzoni participó como conferencista en el Primer Seminario sobre Biocombustibles realizado en Chile en la ciudad de Los Ángeles, en Julio de 2006.
Traducción: Patricio Cavieres Korn, Presidente de la Comisión de Agroenergía del Colegio.
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