Combustibles Alternativos para su empleo en Motores Térmicos

A continuación, quiere reseñar un breve artículo de Jorge L. Peidro Barrachina.
Como él dice, no es más que una aproximación a las "particularidades de los combustibles alternativos".
Nos parece interesante por ser una aproximación con datos a los costes económicos de la implantación de muchos de estos llamados combustibles alternativos. No podemos olvidar que nos movemos en una economía de mercado, y por tanto, las soluciones que se adopten, en cierta medida, han de respetar las leyes de la oferta y la demanda como forma de garantizar que realmente se están adoptando medidas eficaces y "deseadas". Dentro de lo malo, lo menos malo.

Tanto que se habla últimamente de los combustibles alternativos, sobre todo los llamados biocombustibles, es hora de ir poniéndole nombre y cara a lo que hablamos. Debe ser conscientes de los costes derivados de nuestras acciones.

No sólo los costes económicos, sino también los costes de oportunidad de nuestras decisiones. El comenzar a dedicar recursos materiales, humanos, monetarios y de tiempo a una elección de entre las técnicamente posibles hoy en día. Y esa decisión deberá ser la menos mala de entre todas las posibles, y la más consensuada, de lo contrario, seguiremos dando vueltas a lo mismo sin decididr nada, sólo cuando sea demasiado tarde.

Por estos motivos, me parece interesante el artículo, los hay mucho más detallados, pero como primera aproximación al tema, es un texto fácil de comprender y que nos puede llevar a otros temas de mayor profundidad y más completos. [John Godless]


Introducción.

En el presente artículo se recogen una serie de datos y particularidades sobre los combustibles alternativos que tienen posibilidades, si no de sustituir si de complementar, a los derivados del petróleo, gasolina y gasoil. La información recogida no es exhaustiva, sólo se ha hecho hincapié en aquellos datos que puedan ser interesantes para su aplicación en los motores térmicos. Se han tratado una serie de combustibles alternativos como aceites vegetales, alcoholes, gas natural, GLP, etc. y no se han considerado otras fuentes de energía alternativas como es el caso de la energía eléctrica, tema éste mucho más amplio y que se escapa de los objetivos del presente artículo. Presentamos a continuación las principales características de cada uno de ellos por separado y concluimos con una comparación entre los mismos.

Biodiesel.
Una alternativa al gasoil, como combustible para motores diesel, son los aceites combustibles de origen vegetal como la colza, soja, palma, cacahuete, girasol, tojo, etc. Su uso no es nuevo, ya en 1900 durante la Exposición Universal de París, R. Diesel empleó aceite de cacahuete en su motor. Los aceites vegetales, por sí mismos presentan una serie de ventajas e inconvenientes, como son:

- Ventajas:

1) los aceites vegetales son sustancias renovables (no incrementan el contenido en CO2 de la atmósfera).
2) no contienen azufre ni compuestos aromáticos.
3) se reduce la emisión de contaminantes (excepto el NOx).
4) mayor "flash point" que el gasoil, por tanto, menor riesgo de incendio.
5) menor dependencia del petróleo.

- Inconvenientes:

1) mala combustión, con formación de depósitos carbonosos y humos negros en el escape.
2) menor poder calorífico que el gasóleo.
3) viscosidad elevada (más de 10 veces superior al gasoil), lo que se traduce en problemas en el sistema de inyección.
4) sólo pueden trabajar a temperaturas mayores de 0ºC (habría que calentarlo).
5) necesidad de mayor espacio de cultivo.
6) precios no competitivos (alto coste de producción y de transformación).

Alguno de los inconvenientes se reducen mezclándolos con gasoil (persisten la menor potencia y mayor consumo debido al menor poder calorífico). La tabla siguiente muestra una comparación de propiedades de algunos aceites vegetales con el gasóleo.

Para solucionar la mayor parte de los inconvenientes de estos aceites, se les puede someter a un tratamiento mediante un proceso que emplea metanol (transesterificación), con ello desaparecen los problemas de viscosidad, depósitos, etc., aunque continua su menor poder calorífico. Algunos textos denominan biodiesel precisamente al éster metílico de aceite vegetal, o también RME (este nombre se deriva del éster metílico de colza). En la tabla siguiente aparece una comparación del éster metílico del aceite de soja con el gasóleo.

Como se observa, el éster metílico aproxima las propiedades a las del gasoil y permite su utilización en motores prácticamente sin modificación.

- Consecuencias: podría ser una alternativa parcial como ayuda y sin mejorar notablemente la contaminación en núcleos urbanos.

- Experiencia: en la Empresa Municipal de Transporte de Valencia, patrocinado por REPSOL y con participación de nuestro Departamento, se realizaron pruebas empleando éster metílico de aceite de girasol en algunos autobuses. Las conclusiones fueron que, con mezclas de hasta un 30% de éster con gasoil no había ningún problema, los autobuses tenían las mismas prestaciones. Con mayores proporciones se destaca el olor característico de los gases de escape (a frituras), pero sin pérdidas apreciables de prestaciones. En el momento de las pruebas el precio del éster de aceite de girasol tenía un precio de unas 100 ptas/l (sin impuestos) y el gasoil tenía un precio de 80 ptas/l (con impuestos).

Metanol.
El alcohol metílico o metanol, CH3OH, se suele obtener a partir del carbón (con excesivo nivel de emisión de CO2 en este proceso), o bien de residuos orgánicos (en ese caso el combustible sería renovable), de residuos del refino del petróleo y del gas natural. Es un combustible líquido con excelentes características de octanaje. Se utiliza como combustible en motores de encendido provocado mezclado con gasolina (denominación M85, por ejemplo, con 85 partes de metanol y 15 de gasolina) o también como mejorador del índice de octano de gasolinas sin plomo (M15, por ejemplo). Por otra parte, los combustibles alcohólicos no son adecuados para su empleo directo en motores diesel, para ello sería necesario mezclar un mejorador del índice de cetano con el combustible y modificar el sistema de inyección.

Ventajas:

1) distribución y almacenaje en forma líquida.
2) mezclado con gasolina es posible usarlo sin grandes costos de transformaciones.
3) el alcohol es el producto que contiene mayor proporción de oxígeno en su composición, permite prescindir del plomotetraetilo en las gasolinas.
4) reduce significativamente la contaminación.

Inconvenientes:

1) necesidad de catalizador en el escape para reducir las emisiones de CO y HC.
2) tóxico al contacto.
3) químicamente agresivo a materiales usados en automóviles (es disolvente).
4) menor poder calorífico que la gasolina o el gasoil; un 55% menos (mayor consumo, depósitos más grandes).
5) el metanol absorbe agua, puede provocar corrosión.
6) el metanol y la gasolina se estratifican (gasolina arriba, metanol abajo).
7) si un alcohol está ardiendo la llama no es visible, lo que puede dar lugar a situaciones peligrosas.
8) gran coste de producción.

Otros datos: Hc » 19700 kJ/kg; rf = 0,79 kg/dm3. Fe = 1/6,4. IO = 106

Etanol.
El alcohol etílico o etanol, CH3-CH2OH, se obtiene habitualmente de productos agrícolas como el maíz o el azúcar. De esta forma, puede considerarse el etanol como un combustible que no contribuye por sí mismo a la producción neta de CO2, aunque si lo hace la gasolina que se quema conjuntamente. La denominación empleada para designar las mezclas de etanol con gasolina es similar a las del metanol con gasolina, por ejemplo, en vez de M15 tendríamos el E15.
Se intentó implantar en Brasil en automóviles, con distintos resultados.

Los hechos, por orden cronológico fueron:

1) en 1975 entra en vigor el plan Proalcool para introducir el etanol procedente de la caña de azúcar como combustible para vehículos ligeros, los motivos fueron, entre otros, la autosuficiencia energética y la reducción de importación de petróleo, cuyos precios eran crecientes en el mercado internacional.
2) se realizaron inversiones en plantas de producción, con subsidios y ayudas.
3) en 1990 habían 4,5 millones de coches funcionando con alcohol puro y 8 millones funcionando con mezclas.
4) bajan los precios del petróleo.
5) se modifica el mercado de la caña de azúcar.
6) se tiene que importar etanol de EE.UU.
7) se reduce el contenido de etanol de las mezclas (pasa al 22%)
8) el programa se mantiene hoy día por interés social, no energético. Se crea un estándar para las gasolinas (10% etanol)

- Ventajas: Las del metanol citadas y el no ser tóxico al contacto y menos peligroso en caso de incendio.

- Inconvenientes: todos los del metanol, además, elevado coste de producción (económico y energético); menor autonomía en el vehículo (a igualdad depósito, un 40% menor).

Los motores actuales no son compatibles con mezclas de casi el 100% de alcohol. Necesitan cambios en culata, pistones, equipo de inyección, etc. Aparecen nuevos gases de escape (aldehidos). No hay suficiente infraestructura para producir alcohol.

- Consecuencias: posibilidad de uso, como el anterior, pero no interesante como combustible. Si que se utiliza como aditivo oxigenado para las gasolinas. Las gasolinas sin plomo se suministran con un 10% de MTBE (derivado etérico del metanol) o de ETBE (

derivado etérico del etanol).

Otros datos: Hc » 26800 kJ/kg; rf = 0,79 kg/dm3. Fe = 1/6,4. IO = 106

Biogás.
El biogás es un término que se aplica a la mezcla de gases que se obtienen a partir de la descomposición en un ambiente anaerobio (sin oxígeno) de los residuos orgánicos, como el estiércol animal, basuras, aguas residuales o los productos de desecho de los vegetales, entre otros. En este proceso realizado por bacterias, se libera un mezcla de gases formada por metano (el principal componente del biogás), dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y ácido sulfhídrico. Es un combustible económico y renovable. Después del tratamiento, para eliminar componentes corrosivos (como el azufre) y otros no deseados, el gas queda listo para su utilización en motores pesados de encendido provocado.
Un ejemplo particular de biogás es el gas obtenido en el proceso de digestión anaeróbica de los fangos procedentes de las depuradoras de aguas residuales. Este gas tiene una composición aproximada de un 70-80% de CH4 y de un 20-30% de CO2, con un poder calorífico de unos 12.500 kJ/kg (muy variable, dependiendo del contenido de CH4).
En España existen varias instalaciones que aprovechan el biogás de vertedero. A modo de ejemplo citamos las instalaciones de Valle de la Zareda (Asturias) con una potencia total instalada de 4.750 kW o las de Bilbao con una potencia de 900 kW.
Gas Natural Comprimido, GNC.
El gas natural es básicamente metano (sobre el 87%, el resto está formado principalmente por etano, propano y butano). Es el combustible natural más limpio, en términos de contaminación, de los combustibles fósiles. Produce la menor cantidad de CO2 por unidad energética de todos los combustibles fósiles. Resulta imposible de licuar salvo en casos especiales (a temperaturas inferiores a –162ºC). Para su uso en vehículos se almacena comprimido (GNC) a una presión de unos 200 bar, ello supone que la densidad de almacenamiento de energía no sea elevada, lo que sugiere su empleo principalmente en flotas de vehículos de tamaño medio o grande (no turismos) y con recorrido urbano (autobuses).

Ventajas del empleo del gas natural en autobuses urbanos:
1) menor emisión de contaminantes.
2) fuente alternativa de energía (diversificación).
3) técnicamente viable.
4) menos ruidoso.

Inconvenientes del empleo del gas natural en autobuses urbanos:
1) mayor peso y volumen del depósito de combustible (sobre 1600 kg más, por lo que hay que reforzar la estructura de la carrocería y, además, supone una reducción en el número de pasajeros a transportar).
2) riesgos de explosión en caso de accidente.
3) menores prestaciones (menor par y potencia que un motor diesel semejante).
4) menor rendimiento, lo que se traduce en un mayor consumo (sobre un 75% mayor) y una menor autonomía.
5) necesidad de disponer de una estación de compresión del gas natural (cara de instalación y sobre todo de operación; comprimir un gas es costoso).
6) necesidad de un sistema de almacenamiento del gas natural comprimido (200 bar) en el propio autobús bastante complejo (encarece al autobús).
7) necesidad de empleo de un catalizador de tres vías (la duración es corta, sobre unos 80.000 km, por lo que habrá que reemplazarlo varias veces durante la vida del autobús).
8) repostado lento (superior a los 20 minutos por autobús).
9) menos espacio en cocheras (por problemas de seguridad).

Aspectos económicos:
1) el autobús resulta más caro por diversos motivos: depósitos de combustible, instalación de conducciones de gas, reductores de presión, motor adaptado, catalizador, etc.
2) el precio del gas natural supone una incertidumbre (no hay fijado un precio para el gas natural destinado a la automoción). El precio del gas para la industria resulta muy caro para el empleo en autobuses.
3) los costes por compresión del gas son elevados (0,2 ptas por termia).
4) por experiencia en otras empresas municipales de transporte el coste por la incorporación del gas natural vendría a representar un millón de pesetas por autobús y año). Hay que considerar las posibles subvenciones. La CE apoya la utilización del GNC a través del proyecto Thermie.

Gases licuados del petróleo, GLP.
Se conocen como tales a un conjunto de hidrocarburos que forman la fracción más ligera obtenida de la destilación del petróleo crudo de las refinerías. Están constituidos principalmente por la mezcla de butano (40%) y propano (60%). Son gaseosos en condiciones normales de presión y temperatura y fácilmente licuables, lo que permite su almacenamiento en fase líquida a relativamente bajas presiones, entre 5 y 9 bar.
Se transportan en depósitos de acero. No son tóxicos, ni corrosivos. No contienen plomo ni ningún otro aditivo añadido. No contienen azufre en su composición. Son inodoros, sin embargo se le añaden sustancias (mercaptanos) que producen un olor fuerte y desagradable para identificar posibles fugas. Son más pesados que el aire, si hay alguna fuga puede extenderse por el suelo y los fosos de inspección. El gas natural, por el contrario, es más ligero que el aire y, por tanto, se propaga hacia arriba.
La inhalación de GLP se traduce en una ligera acción anestésica. Pueden llegar a asfixiar a las personas por desplazamiento del aire que impide la llegada del oxígeno a los pulmones. Otros datos son:
Poder calorífico: 45.900 kJ/kg; densidad: 0,54 kg/dm3. Fe = 1/15,5 NO = 100
Los GLP son combustibles aptos para su empleo en motores de encendido provocado, su número de octano es igual o superior al de la gasolina. En España su utilización en automoción ha estado restringida al transporte público (taxis y más recientemente autobuses).

Ventajas del empleo de los GLP:

1) conducen a una reacción de combustión homogénea sin producción de CO y HC en su combustión.

2) La potencia calorífica es elevada.

3) Exentos de azufre, sales de plomo y aditivos halógenos.

Eter de dimetilo (DME).
El DME es un gas licuado con características de manipulación muy similares a las del GLP. Se puede obtener del metanol, gas natural, carbón y petróleo crudo mediante síntesis del "gas sintético" (hidrógeno y monóxido de carbono), también a partir de la gasificación de productos agrícolas (en este caso sería renovable). El DME parece ser un combustible excelente para motores diesel, ya que tiene una temperatura de autoinflamación baja (número de cetano > 55).
Comparación de depósitos para algunos tipos de combustible en MCIA.

Hidrógeno.
Es el combustible más limpio que existe. Se puede producir a partir del gas natural o del carbón (además de electrólisis del agua). La contribución al balance de CO2 en la combustión es nula.
Bien almacenado en depósitos como tal, o convertido en metilciclohexanol (líquido) para reconvertirlo en hidrógeno gaseoso de nuevo en el momento de la combustión; o bien obtenido del metanol químicamente.

- Ventajas: eliminación de las emisiones de CO, CO2, SO2, HC y partículas; materia prima para su producción, ilimitada.

- Inconvenientes:

1) excesiva producción de NOx que precisaría un catalizador especial;
2) problemas de almacenaje (supone un aumento de 0,1 kg de tara en el depósito por cada kWh o de 0,12 l por cada kWh en volumen);
3) su producción es cara por la cantidad de energía que se necesita.

- Consecuencias: únicamente el uso de hidrógeno líquido (hoy no resuelto, pues el aumento de volumen de almacenamiento dejaría nulo el espacio de carga) en forma de pilas de combustible todavía "no maduro", sería rentable. Presenta demasiados inconvenientes para ser utilizado en motores de encendido provocado. Posible solución de futuro.
Otros datos: Hc » 120.000 kJ/kg
Comparación de características y precios de combustibles alternativos.
La tabla siguiente compara las características de precio, poder calorífico, densidad y coste por unidad de energía de algunos de los combustibles indicados anteriormente.




Conclusiones.
Ya en la tabla anterior se puede apreciar que el coste es el principal inconveniente de los combustibles alternativos, de todas formas resaltamos también los siguientes aspectos:
El empleo de combustibles alternativos exige adaptaciones de consideración en los vehículos convencionales.
Se necesita construir toda una infraestructura, tanto para suministro como en instalación de taller.
El incentivo principal de su empleo está en la reducción de emisiones contaminantes.
La fiscalidad se puede emplear para estimular el uso de combustibles alternativos.
Pueden ser una opción para poder cumplir con las futuras normas Euro3 (2000) y Euro4 (2005). La conclusión global es que si bien todo paso hacia los combustibles alternativos es un paso en la dirección correcta, se trata solamente de un primer paso. Se esta evidenciando que si bien los sistemas híbridos, de pilas de combustible, etc., pueden ser las soluciones posibles para el futuro, las consideraciones prácticas sugieren que pasará algún tiempo hasta que sean viables comercialmente. El escalón para llegar a ese futuro apunta cada vez más a los combustibles alternativos en general y a los gaseosos GNC y GLP en particular.

Bibliografía.
F.V. Tinaut; A.A. Rahman Ali; A. Melgar. Estudio comparativo entre vehículos con motores eléctricos y vehículos con motores térmicos. Energía. Mayo-junio 1995.
J.A. López; L. Guijosa; J.M. Sanz Los aceites vegetales como combustibles ecológicos. Energía Septiembre-octubre. 1995
The Alternative Fuel Directory for Road Transport. 1998.

Fuente:

http://personales.alc.upv.es/~jlpeidro/bio/bio.htm