UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA MAESTRÍA EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

“ESTUDIO DE LA COMBUSTIÓN DE UN MOTOR MONOCILÍNDRICO DE IGNICIÓN ALIMENTADO CON MEZCLAS GASOLINA-ETANOL ANHIDRO E HIDRATADO A DISTINTAS CONCENTRACIONES”

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

PRESENTA JESÚS ANTONIO CAMARILLO MONTERO

DIRECTOR DE TESIS DR. JUAN JOSÉ MARÍN HERNÁNDEZ

XALAPA EQUEZ., VER. AGOSTO DE 2011

.

Síntesis

SÍNTESIS En el presente trabajo se realizaron pruebas de miscibilidad, densidad relativa, relación estequiométrica A/F y olor y aspecto físico para obtener la caracterización fisicoquímica de mezclas gasolina-etanol hidratado y anhidro (0-40% v/v), utilizándose como combustibles para un motor monocilíndrico de ignición por chispa marca AVL modelo 5401, al cual se le realizaron pruebas de rendimiento y análisis de gases de escape. Las pruebas de rendimiento fueron elaboradas a un régimen constante de velocidad de 2,000 RPM, variando lambda dentro de los valores típicos de funcionamiento de un automotor. Las variables medidas fueron: los consumos específicos y de combustible, temperaturas del aire de admisión y gases de escape y la potencia indicada; y en los gases emitidos, el monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2), hidrocarburos no quemados (HC) y óxidos de nitrógeno (NO x). Los resultados muestran un efecto de empobrecimiento en el combustible al aumentar el contenido de etanol tanto anhidro como hidratado, causando una pequeña reducción de la potencia indicada (menor al 2%) y aumentando considerablemente el consumo de combustible. Las mezclas E20 y HE20 presentan los mejores resultados en el análisis de los gases de escape, reduciendo notablemente las emisiones de CO (4-6%), HC (3-9%) y NOx (8-9%), respectivamente,

manteniéndose prácticamente constante la emisión de CO 2

(reducciones menores al 1%). Se observó que la tolerancia al agua por parte de la gasolina, aumenta significativamente al incrementar el contenido de etanol en la mezcla, donde también se concluyó que a una temperatura mayor de 10°C, no hubo separación de fases para las mezclas de gasolina y el etanol hidratado, mientras que las mezclas con etanol anhidro no presentan este problema a temperaturas bajas.

Índice

CONTENIDO Página 1. Introducción………………...……………………………………………………. 1.1 Planteamiento del problema……………………………………………….. 1.2 Justificación………………………………………………………………….. 2. Antecedentes…………………………………………………………………….. 2.1 Contexto internacional…..………………..………………………………… 2.1.1 Uso del etanol como combustible en Brasil………………….. 2.1.2 Uso del etanol como combustible en Estados Unidos…....... 2.1.3 Uso del etanol como combustible en América latina………... 2.2 Contexto nacional…………………………………………………………… 3. Objetivos…….…………….…….……………………...…...…………………… 3.1 Objetivo general………………….....…………...……….…………………. 3.2 Objetivos específicos……………….…………...…………….…………… 4. Hipótesis……..…………………………….……………………………………... 5. Marco teórico………………………….……………….………………………… 5.1 Caracterización de combustibles………………………………………….. 5.2 Características del etanol….……….…………………………………..….. 5.3 Características de la gasolina……………………………….…………….. 5.4 Mezclas gasolina-etanol anhidro…….……………………..……………... 5.5 Mezclas gasolina-etanol hidratado……...…………………………....…... 5.6 El motor de ignición por chispa………………………………………...….. 5.6.1 Parámetros de operación………………………..……………… 5.7 Pruebas de combustión…………………………………………………….. Camarillo, 2011

01 03 03 05 05 10 13 19 22 27 27 27 28 29 29 31 34 36 39 41 42 45 Página iii

Índice

5.8 Efectos negativos del etanol en el ambiente…………………..………… 6. Metodología……..……………………………………………………………..…. 6.1 Elaboración de las mezclas combustible………………………………….

47 51 52

6.1.1 Descripción de las mezclas combustibles.……......…………… 52 6.1.2 Caracterización fisicoquímica parcial de las mezclas……....................................................................................…….……… 6.2 Pruebas de combustión…………....……………………………………… 6.2.1 Medición del consumo de combustible…………..…….……… 6.2.2 Medición de la temperatura de admisión de aire....……...….. 6.2.3 Medición de la temperatura de gases de escape..…….…….. 6.2.4 Medición de potencia y torque…………………………………. 6.3 Análisis de gases de escape………………..……...….……….…………. 6.3.1 Preparación y calibración del equipo….………...…………….. 6.3.2 Medición de las emisiones del escape….……….……………. 6.4 Análisis de resultados……………….……….…………………………….. 6.4.1 Determinación del método de análisis……...…………………. 6.4.2 Comparación de valores de consumo de combustible………. 6.4.3 Comparación de valores de temperatura de admisión y escape……………………………………………………………………………....... 6.4.4 Comparación de valores de potencia y torque…..…………… 6.4.5 Comparación de valores de emisión de gases……………….. 7. Resultados y discusión……..…………………………………………...…….. 7.1 Pruebas de caracterización fisicoquímica………………………………. 7.1.1 Miscibilidad……………..………………………………………....

53 57 64 65 65 66 66 67 68 68 69 70

70 71 71 72 72 72

7.1.2 Densidad relativa…………………....…………………………… 73 Camarillo, 2011

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Índice

7.1.3 Relación estequiométrica A/F…….…………………………….. 7.1.4 Olor y aspecto físico……………………………………………... 7.2 Pruebas de combustión…………………………………………………… 7.2.1 Medición del consumo de combustible………………..……… 7.2.2 Medición de la temperatura de admisión de aire…….………. 7.2.3 Medición de temperatura de gases de escape………..……… 7.2.4 Medición de torque y potencia indicados……………………... 7.2.5 Comparación de valores de emisión de gases…….…………. 8. Conclusiones…………………………………………………………………….. 9. Referencias………….………………………...…………………………………. 10. Anexos……………………………………………………………………………

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74 75 76 76 79 81 84 89 98 101 110

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Índice

Página Índice de tablas Tabla 1. Estimación de las reservas de energéticos en el mundo……………...

05

Tabla 2. Consumo de distintos combustibles en Estados Unidos (miles de galones)………………………………………………………………………………..

16

Tabla 3. Estándares norteamericanos para el uso de etanol mezclado con gasolina como combustible………………………………………………………….

17

Tabla 4. Producción de etanol por estado…………………………………………

18

Tabla 5. Producción de etanol por ingenio………………………………………...

23

Tabla 6. Características fisicoquímicas del etanol anhidro…………………….

32

Tabla 7. Características fisicoquímicas del etanol hidratado………...………….

34

Tabla 8. Características fisicoquímicas de la gasolina magna………………….

35

Tabla 9. Modificaciones necesarias en motores para mezclas > E20………….

38

Tabla 10. Concentraciones en el aire atmosférico y niveles de riesgo carcinogénico por inhalación para aldehídos……………………………………..

49

Tabla 11. Reporte de las emisiones de gases no regulados para combustibles E0 y E10………………………………………………………………

49

Tabla 12. Volumen de gasolina y etanol utilizado para las mezclas……………

53

Tabla 13. Características del motor monocilíndrico………………………………

59

Tabla 14. Condiciones de operación del motor durante la prueba……………..

62

Tabla 15. Densidad relativa de los combustibles utilizados……………………..

73

Tabla 16. Resultados de la relación estequiométrica A/F……………………….

75

Tabla 17. Porcentaje de incremento en el consumo de combustible…………..

78

Tabla 18. Porcentaje de variación en la potencia y el torque……………………

87

Tabla 19. Porcentaje de variación de las emisiones para las mezclas combustibles…………………………………………………………………………..

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Índice

Página Índice de figuras Figura 1. Precio promedio del petróleo…………………………………………….

07

Figura 2. Producción anual de etanol en los Estados Unidos, 1980-2009…….

14

Figura 3. Resultados de la prueba de laboratorio………………………………...

25

Figura 4. Tolerancia al agua en función de la temperatura del combustible…..

40

Figura 5. Ciclo Otto de 4 tiempos…………………………………………………..

42

Figura 6. Comportamiento del torque a diferentes valores de velocidad………

43

Figura 7. Diagrama de la metodología……………………………………………..

51

Figura 8. Equipo de baño térmico…………………………………………………..

54

Figura 9. Densímetro y termómetro utilizados en la medición de la densidad relativa………………………………………………………………………………....

55

Figura 10. Banco de pruebas de combustión……………..………………………

58

Figura 11. Analizador de gases de escape………………………………………..

60

Figura 12. Sistema de suministro de combustible de prueba…………………...

61

Figura 13. Uniformidad deseada del valor de lambda……………………………

63

Figura 14. Homogeneidad de las mezclas E10 y HE10………………………….

72

Figura 15. Resultado de la prueba de densidad relativa para el etanol anhidro...............................................................................................................

74

Figura 16. Consumo másico de combustible……………..……………………….

76

Figura 17. Consumo específico de combustible…………………………………..

77

Figura 18. Temperaturas del aire de admisión……………………………………

80

Figura 19. Temperaturas de gases de escape para valores de lambda de 0.9 a 1.1……………………………………………………………………………………

82

Figura 20. Temperaturas promedio de los gases de escape……………………

83

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Índice

Figura 21. Resultados de la prueba de torque indicado………………..………..

85

Figura 22. Resultados de la prueba de potencia indicada……………………….

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Figura 23. Comportamiento de las emisiones de CO…………………………….

89

Figura 24. Comportamiento de las emisiones de CO 2…………………………...

90

Figura 25. Comportamiento de las emisiones de HC…………………………….

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Figura 26. Comportamiento de las emisiones de NO x.......................................

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1. Introducción

1. INTRODUCCIÓN Los sistemas de transporte que utilizan un motor de combustión interna, constituyen una de las actividades más contaminantes que el hombre realiza todos los días, debido a los gases emanados hacia el medio ambiente, producto de la combustión de hidrocarburos. En países como Italia, Alemania, y Estados Unidos, existen un poco más de 500 autos por cada 1000 habitantes, mientras que México tiene un parque vehicular de más de 13 millones de autos, lo equivalente a un auto por cada 10 habitantes, aproximadamente (NationMaster, 2010). A nivel mundial, los transportes son responsables del 13% de las emisiones de gases de efecto invernadero, cifra que podría llegar al 30% ó 50% en el año 2050. El transporte terrestre representa un 74% de estas emisiones, de las cuales el 40% provienen de vehículos industriales ligeros y de vehículos particulares (Greenpeace, 2010). En Europa, el transporte es el único sector cuyas emisiones han aumentado desde 1990 (+26%); y sólo los vehículos particulares son responsables del 12% de las emisiones europeas de gases de efecto invernadero (Greenpeace, 2010). La cantidad de gases contaminantes emitidos por un automóvil se miden normalmente en g/km recorrido. De acuerdo al modelo, antigüedad y potencia de los motores, se han establecido categorías correspondientes a la cantidad de gases que emite cada auto. Los autos de la clase A, emiten arriba de 100 g CO 2/km recorrido, los clase B de 101 a 110, clase C de 111 a 120, clase D de 121 a 130, llegando hasta la categoría M, que son los que emiten arriba de 256 g/km (COMCAR, 2010). Idealmente, los automóviles que deberían estar en circulación son los que se encuentran dentro de la categoría B o C, pero aun así, si esas cantidades emitidas se multiplican por la cantidad de autos que existen en las grandes ciudades, se obtendría una cifra muy grande de contaminación por CO 2 hacia el medio ambiente. Aunado a esto, existe otra variedad de gases contaminantes provenientes de la combustión de un automotor, como NO x, CO, HC y SOx. La formación de estos Ibarra, 2011

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1. Introducción

compuestos en mayor o menor proporción indican una combustión completa o incompleta, es decir, que todo el combustible se quemó de manera ideal o alguna parte únicamente se evaporó y se expulsó hacia el medio ambiente (UNC, 2010). Estos gases no pueden ser absorbidos de manera natural por las plantas como en el caso del CO2, sino que se mezclan en el aire y se ha estudiado desde hace años que respirar CO aún en cantidades moderadas, puede producir la muerte por envenenamiento de la sangre de manera inmediata, al igual que los demás gases producen irritación nasal y en los ojos, por lo que reducir las emisiones de estos gases es una tarea que se debe llevar a cabo (EPA, 2007). Esta situación, complementada con la insostenible condición del mercado petrolero a nivel mundial, ha motivado a que muchos países realicen grandes esfuerzos para lograr contrarrestar y atenuar los efectos contaminantes, entre los cuales, el uso de fuentes alternativas de energía de origen natural, ha sido uno de los que con mayor ímpetu y aceptación popular ha tenido en los últimos años. Entre los biocombustibles, ha destacado el uso del bioetanol como fuente de energía alternativa proveniente principalmente de la caña de azúcar y el maíz. El gasohol es una mezcla de gasolina y etanol, tanto hidratado como anhidro en distintas proporciones, el cual provoca una combustión más completa dando como resultado según estudios de algunos autores, una importante reducción de gases contaminantes hacia la atmósfera (Michelena, 2010). La finalidad de este documento es la de comparar mezclas de gasolina - etanol anhidro e hidratado, sometiéndolas a pruebas de rendimiento en un motor monocilíndrico de ignición por chispa, en referencia a normas nacionales e internacionales, que en base a la experimentación y teoría de la estadística, se pueda determinar la que mejor cumpla con los parámetros establecidos por normatividad y posea las características necesarias para utilizarse de manera comercial como un combustible reformulado.

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1. Introducción

1.1 Planteamiento del problema En el país, existe una escasa investigación sobre bioenergéticos, debido principalmente a que recién se están desarrollando leyes que permitan su utilización; toda la información disponible sobre el uso de este tipo de energía es proveniente de países con un parque vehicular muy distinto al de México, por lo cual se requiere realizar una investigación específica para las condiciones propias del país. En algunos países se han llevado a cabo diversas investigaciones sobre los efectos negativos y positivos del uso del etanol anhidro como oxigenante en la gasolina, principalmente en proporciones del 10% y 20%; pero existe escasa información sobre mezclas de mayor contenido de etanol o sobre el uso de etanol hidratado. Los resultados obtenidos en dichas pruebas se han tomado como estándares para todos los países que utilizan estos combustibles, sin embargo, realizar una investigación con mezclas mayores realizadas con combustibles comerciales mexicanos, dará un panorama más amplio del impacto que éstos tendrán en su inmersión al mercado nacional. 1.2 Justificación En general, el uso del etanol como aditivo oxigenante en la gasolina trae diversos beneficios, puntualizando principalmente tres: Económicos, sociales y ambientales. Por la parte de los beneficios económicos, se tiene que el etanol es más barato que la gasolina, por lo tanto, si se llegara a introducir de manera comercial, el precio de los combustibles oxigenados disminuiría de una manera importante. Los beneficios sociales se fundamentan en el desarrollo de investigación especializada para condiciones propias del país, tomando en cuenta las características ambientales, parque vehicular y combustibles de uso comercial; también podría ocurrir la reactivación del sector agrícola del país, ya que la cosecha de caña de azúcar tendría que aumentar en gran medida y como consecuencia, se generarían fuentes de empleo. Por último, los beneficios ambientales, los cuales tienen alto impacto debido principalmente a la reducción de los gases contaminantes del escape de los Camarillo, 2011

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1. Introducción

automóviles, la sustitución de oxigenantes como el ETBE (etil tert butil éter) y el MTBE (metil tert butil éter), que han llegado a contaminar depósitos subterráneos de agua, problema que con el etanol no se tendría debido a su carácter natural. Es sabido que producir etanol anhidro tiene un elevado costo, debido a los procesos que se le deben aplicar para alcanzar su pureza, lo que hace que actualmente sea económicamente inviable su producción con fines energéticos; por esta razón no se ha extendido su uso en todo el mundo como un oxigenante de gasolinas comerciales. En cambio, el etanol hidratado tiene un bajo costo y su producción no requiere de otro proceso extra a la destilación para alcanzar los 96° de pureza. Por esta razón, es importante realizar un estudio de comparación de ambos energéticos, utilizándolos como aditivo oxigenante para una gasolina base, de manera que si el banco de pruebas presenta un comportamiento similar en los dos casos, se podrá proponer su uso en sustitución del etanol anhidro, ya que las condiciones climatológicas del país son las apropiadas para que no exista una separación de las fases agua-alcohol-gasolina, debido a una temperatura muy baja, como en el caso de países europeos. Con este estudio, se desea comprobar la similitud energética entre ambos alcoholes, pudiendo competir uno con otro en su uso como aditivo oxigenante para las gasolinas del país, donde las condiciones de temperatura ambiente son las adecuadas para que no ocurra una separación de fases al utilizar etanol hidratado y por ende, un mal funcionamiento del motor.

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2. Antecedentes

2. ANTECEDENTES 2.1 Contexto internacional Debido a la gran demanda de energía que existe hoy en día, el hombre se ha visto en la obligación de desarrollar nuevas tecnologías que permitan transformar fuentes energéticas alternativas, así como mejorar las ya existentes. Cada año, las reservas mundiales de petróleo van disminuyendo y la población demanda más de lo que se puede producir. En la tabla 1 se muestran las estimaciones de las reservas mundiales de petróleo y gas a nivel mundial. Tabla 1. Estimación de las reservas de energéticos en el mundo Petróleo (Millones de barriles) BP, Estatistical Review, 2007

Petróleo (Millones de barriles) Oil & Gas Journal, 2007

Petróleo (Millones de barriles) World Oil, 2007

1,238.892

1,342.207

1,184.208

Gas Natural (Billones de pies cúbicos) BP, Estatistical Review, 2007 6,290.636

Gas Natural (Billones de pies cúbicos) CEDIGAZ, 2008

Gas Natural (Billones de pies cúbicos) Oil & Gas Journal, 2009

Gas Natural (Billones de pies cúbicos) World Oil, 2007

6,342.411

6,254.364

6,436.029

Fuente: EIA, 2009

En esta tabla se puede observar que las reservas de energéticos reportadas por distintos organismos son similares en todos los casos, donde la cantidad de petróleo disponible está muy por debajo de las reservas de gas natural. A inicios del siglo XX, comenzó la era del petróleo, con la exploración y producción de los yacimientos de Pennsylvania, Estados Unidos; iniciativas que luego fueron imitadas en otros países, los cuales utilizaron el petróleo para la iluminación y calefacción; y si bien durante la época del petróleo barato, ésta materia prima fue insustituible, a partir de las crisis energéticas de la década de los 70’s se trató de economizar combustible mediante la implantación de regulaciones que implicaron a su vez, una mayor eficiencia energética de los motores de combustión interna y un control de las emisiones de gases contaminantes. Entonces aparecieron normas y técnicas para evitar la dependencia de

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2. Antecedentes

los combustibles provenientes del petróleo, como el gas y la gasolina, específicamente. Algunos desarrollos tecnológicos actuales indican una clara tendencia a reducir el consumo de éstos y evitar la contaminación ambiental, así, el predominio del petróleo está acercándose progresivamente a su fin (Rivera, 2007). De acuerdo a lo anterior, los principales factores que han impulsado el desarrollo de los biocombustibles son tres: 

Cambio climático



Agotamiento de combustibles fósiles



Altos precios del petróleo

La expresión cambio climático, se refiere a la modificación del clima con respecto a los datos históricos a una escala regional o global. Dichos cambios son el aumento o disminución de temperatura, precipitaciones y nubosidad. El cambio climático es provocado principalmente por dos factores: causas naturales y antropogénicas (Oreskes, 2004). Las causas naturales se refieren a la contaminación aportada de manera natural por la tierra, como los incendios forestales, generación de metanol en los mares, etc., mientras que las antropogénicas son los efectos producidos por la actividad humana en la Tierra como la industrialización, deforestación, disminución de áreas verdes, etc. El agotamiento de los combustibles fósiles es producto de su desmedida explotación a nivel mundial. Los países más industrializados requieren de mayor cantidad de combustible para atender la demanda de energía, por lo que deben recurrir a la búsqueda y extracción de petróleo y carbón principalmente. Debido a esto, los precios se van a la alza, trayendo como consecuencia que las economías mundiales se vean seriamente afectadas y tengan que recurrir a la investigación de nuevas formas de aprovechamiento de energía. En la figura 1 se muestra el precio promedio mensual del petróleo.

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2. Antecedentes

PRECIO PROMEDIO DEL PETRÓLEO 90

90

84.93 80 73.7

70

73.88

66.4

60

57.25

50 44.6

40 30

32.1 2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009 Actual

Figura 1. Precio promedio del petróleo Fuente: Goldman Sachs, Unicredit, Reuters, BP, 2010

En esta figura se puede observar claramente la tendencia creciente del precio promedio del petróleo, donde existió un valor máximo en el año 2008, año en el que la economía de China tuvo un importante despegue, por lo que la cantidad de hidrocarburos demandada fue muy grande y el precio se incrementó considerablemente. El etanol es un combustible que se produce en varios países desde hace muchos años. Más del 75% de la producción de etanol a nivel mundial se lleva a cabo en Brasil y Estados Unidos (Moreira, 2008). Algunos indicadores internacionales apuntan a Brasil como el principal productor de etanol con fines energéticos en el mundo, aunque datos del año 2009 indican que la capacidad de producción de Estados Unidos era de 14,400 millones de litros de etanol, de los cuales, 8,900 millones de litros se consumen como combustible, mientras que la producción total de Brasil para ese año fue de 7,450 millones de litros, lo cual hace visible el aumento en la producción de Estados Unidos frente a Brasil; aunque estos datos no son los definitivos para ambos países, se puede concluir que ambos son los actuales líderes mundiales (CSIRO, 2009).

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2. Antecedentes

A raíz de la crisis petrolera que se generó en el mundo en la década de los 70’s, Brasil incrementó su producción de etanol con la finalidad de depender en menor proporción de los hidrocarburos. El etanol de Brasil proviene de la caña de azúcar, la cual debido al clima tropical del país es fácil que se produzca. En la década de 1970, los dictadores militares brasileños decidieron subsidiar la producción de etanol y requerir su distribución en todo el país. En el año 1975, se inicia el programa Pro Alcohol, con el objetivo de utilizar el etanol como combustible sustituto de la gasolina y aumentar su producción para uso industrial. La industria brasileña utiliza el alcohol anhidro mezclado con una proporción de 22% de gasolina comercial para su utilización en vehículos particulares. Esto da como resultado que Brasil se convierta en el primer país en utilizar mezclas de etanol-gasolina (Biocombustibles, 2010). En 2007, Brasil exportó a nivel mundial más de 3.5 billones de litros de etanol (Moreira, 2008). Estados Unidos pelea con Brasil el liderazgo internacional en la producción de etanol. Junto con Centroamérica, EU produce el 45.8% del etanol que se consume en todo el mundo. El principal argumento de este país por aumentar la producción de etanol, es la necesidad de independizarse del petróleo, ya que representa un desafío para su estabilidad económica (USAID, 2008). A principios del siglo XXI, se creó una estrategia en materia de energías renovables en EU, la cual, tiene por meta reducir el consumo de gasolina en un 20% durante los próximos 10 años. El proyecto se llama “20-10” y entró en vigor en el año 2010 (Landa, 2008). Por otra parte, en diversos países alrededor del mundo se encuentran realizando investigaciones paralelas, en torno al uso de otros compuestos oxigenantes que reduzcan las emisiones contaminantes hacia el medio ambiente, como es el caso del ETBE y el etanol. En Australia, se utiliza en mayor proporción el combustible E10, dado que según sus investigaciones,

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un

contenido

mayor

de

etanol

traería

consecuencias

de

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2. Antecedentes

empobrecimiento en las mezclas y como resultado, una alteración en la manejabilidad y condiciones elevadas de temperaturas de operación del motor (Concawe, 2004). En 2003 el gobierno australiano consideró que entre el 30 y 40% de la flota vehicular nacional, no era susceptible de consumir gasolina con 10% de etanol; siendo que en la mayoría de los casos, se trataba de vehículos con menos de 10 años en circulación, es decir, un parque vehicular relativamente nuevo en comparación con países de América latina (Seccombe, 2003). Por otro lado, paralelamente a la ampliación en las investigaciones en torno al uso de etanol anhidro como oxigenante de las gasolinas en varios países, se está aumentando la aceptación del uso de etanol hidratado como sustituto del etanol anhidro, principalmente por su bajo precio. En Holanda, se han llevado a cabo diversos estudios con combustibles HE15 en automóviles comunes del parque vehicular sin ninguna modificación en los componentes del motor, los cuales han estado en circulación por más de dos años utilizando HE15 como combustible convencional, destacando que no se observan diferencias operacionales, desgaste de ningún componente mecánico y problemas de manejabilidad con respecto al uso de gasolina común; se observó una fuerte disminución en los gases contaminantes, principalmente HC y CO, aumentando ligeramente el contenido de NOx y de igual manera, se observó una disminución significativa en el consumo de combustible, lo que hace evidente el potencial termodinámico que tiene este combustible en comparación con los convencionales (Keuken et al, 2008). En diciembre de 2006, se publicó una patente que describe el uso de mezclas etanolagua-gasolina con un contenido de hasta 5% de agua, las cuales pueden ser utilizadas en un amplio rango de motores sin modificar y sin el riesgo de una separación de fases; el estudio muestra que el mejor rendimiento se obtiene con mezclas HE15, es decir, 85% gasolina común, 15% contenido de etanol hidratado que a su vez contiene 5% de agua en volumen (Sijben et al, 2006).

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2. Antecedentes

La separación de las fases etanol-gasolina-agua aumenta considerablemente en climas con temperaturas muy bajas y cuando se tienen contenidos bajos de etanol, como en el caso de HE10 o menor (CETRA, 2007). 2.1.1 Uso del etanol como combustible en Brasil Desde que los portugueses introdujeron las primeras plantaciones de caña de azúcar en el territorio brasileño en el siglo XVI, se ha ido aumentando la producción año con año, teniendo como objetivo su uso como combustible (PROALCOHOL, 2002). A partir de los años 70, cuando el panorama energético mundial mostró signos de alarma y se hizo necesaria la reducción de la dependencia del petróleo importado, la investigación en aceites vegetales ganó nuevo impulso (Moreira, 2008). El Programa Nacional del Alcohol (Pro alcohol) es considerado en Brasil como un marco en la legislación de la agroenergía. La decisión sobre la producción de etanol a partir de la caña de azúcar, fue de carácter político y económico, pues suponía el aporte de inversiones adicionales provenientes de empresas privadas. Esta decisión se tomó en 1975, momento en que el Gobierno Brasileño, a través del ya mencionado programa, decidió impulsar la producción de alcohol para sustituir a la gasolina pura, con el objetivo de reducir las importaciones de petróleo que representaban en ese momento un peso importante en la balanza comercial externa (ICA, 2007). La primera fase del programa Pro alcohol, que abarcó de los años 1975 a 1979, dirigió sus esfuerzos sobre todo a la producción de alcohol anhidro para mezclarlo con gasolina. En esta primera fase, el logro principal fue el de las destilerías que se anexaron al programa. La producción alcoholera creció de 600 millones de litros por año a 3.4 billones de litros por año. Los primeros automóviles que se movilizaron exclusivamente con etanol aparecieron en el año 1978. La segunda fase se dio entre los años 1980 y 1985. Para estos años, ocurriría la segunda crisis petrolera mundial (1979-1980), donde se triplicó el precio del barril de petróleo; en 1980, las compras de este producto pasaron a representar el 46% del total de las importaciones brasileñas. Entonces, se crearon organismos, como el Consejo Camarillo, 2011

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2. Antecedentes

Nacional del Alcohol (CNAL) y la Comisión Ejecutiva Nacional del Alcohol (CENAL) para agilizar el programa Pro alcohol. La producción alcoholera alcanzó un tope de 12.3 billones de litros entre 1986 y 1987, superando en un 15% la meta inicial del gobierno brasileño (ICA, 2007). La fase de estancamiento del programa Proalcohol sucedió en los años 1986 - 1995, donde el precio del barril de crudo bajó de US $40 a 30 y luego de US $ 20 a 12. Este nuevo periodo, denominado contra crisis del petróleo, puso en jaque todos los programas de sustitución de hidrocarburos fósiles y de uso eficiente de la energía en prácticamente todo el mundo. En la política energética brasileña, los efectos de este fenómeno se resintieron a partir del año 1988, coincidiendo con un periodo de escasez de recursos públicos para subsidiar los programas de estímulo a la energía alternativa, lo que tuvo como resultado una disminución considerable en el volumen de las inversiones en los proyectos de producción interna de energía. La oferta de alcohol no pudo acompañar de forma equilibrada el crecimiento en la demanda de automóviles impulsados por etanol y alcanzó niveles superiores a 95.8% de las ventas totales de vehículos que usan gasolina, para el mercado interno en 1985. (ICA, 2007). Brasil posee un área cultivada de caña de 5.8 millones de hectáreas, las cuales generan una producción cercana a los 408 millones de toneladas. Por su parte, el rendimiento que genera una hectárea de caña es de aproximadamente 77 toneladas, donde aproximadamente se obtienen entre cinco y seis mil litros de etanol por hectárea (Moreira, 2008). De acuerdo con las expectativas de la producción de etanol en Brasil, se estima que se podrían destinar unas 12 millones de hectáreas adicionales a la producción de caña actual. En el año 2005, la producción de azúcar en Brasil fue de 29,500,000 toneladas. La producción de etanol por hectárea es de 6,500 a 7,000 litros. En el periodo 2005 2006 se observó una producción de 15.8 millones de m3 anuales y para el ciclo agrícola siguiente, se tuvo una producción de 16.8 millones de m3. Se estima que la capacidad industrial instalada para producir etanol en Brasil es de 18 billones de litros; considerando que en el año 2005, el consumo interno fue cerca de Camarillo, 2011

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2. Antecedentes

13.5 billones de litros (12.5 billones de litros con fines de combustible y un billón con fines industriales), la disponibilidad para la exportación rondaría entre los 2 y 2.5 billones de litros de etanol, dependiendo del total de producción para los años consecuentes (ICA, 2007). En años recientes, el consumo de etanol en el sector de transporte en Brasil representó el 44% del total del combustible necesario para dicho sector, lo que representa una demanda muy grande de este energético que tiende a ir en aumento (MME, 2008). Debido a la gran demanda de etanol en este país, diversos centros de investigación se han dedicado a estudiar algunos otros aditivos oxigenantes, que presenten aún mejores características que las mostradas por el etanol a un precio más bajo. Renato Cataluña et al han realizado diversos estudios con compuestos oxigenantes especiales, como el tert-amyl etil éther (TAEE), etil-terc butil-ether (ETBE) y el di-tert amyl-ether (di-TAE). En una prueba elaborada para medir el consumo específico de combustible en automotores utilizando los aditivos mencionados así como etanol, los investigadores concluyeron que el di-TAE arroja los mejores resultados, es decir, el consumo específico de combustible es menor, observando características normales de operación para el motor, lo cual, representa un ahorro en la cantidad de combustible necesario para realizar el mismo trabajo que si se utilizara etanol (Cataluña et al, 2008). Desgraciadamente, la producción de di.TAE únicamente se ha llevado a cabo en laboratorio, lo que significa que Brasil seguirá oxigenando sus gasolinas con etanol en los siguientes años. Por otra parte, José Sodré et al, han realizado estudios comparativos entre el uso de una mezcla de gasolina con etanol anhidro (78% gasolina y 22% etanol) y etanol hidratado puro; con el etanol hidratado se produjo un aumento del 7% en el torque y 3.7% en la potencia respecto a mezclas con etanol anhidro, pero se obtuvo un 54% más de consumo específico de combustible, lo cual significa mayor cantidad de etanol hidratado para producir el mismo efecto que las mezclas con etanol anhidro (Sodré et al, 2009).

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2. Antecedentes

Otra posible ventaja del etanol hidratado frente a la mezcla gasolina-etanol anhidro es su bajo costo, ya que el máximo precio posible de encontrar en el mercado, representa unicamente el 72% del precio de la mezcla combustible (MME, 2008). Desde el año 1979, en Brasil se lanzaron al mercado automóviles capaces de operar tanto con etanol como con gasolina, en cualquier proporción de ellos. Estos autos se llaman Flex Fuel (flexibilidad de combustible). Los fabricantes de autos en Brasil modifican los motores para poder operar con etanol, como lo son los cambios en la relación de compresión, la cantidad de combustible inyectado, sustitución de materiales que se deterioran por efecto del contacto con el etanol, el uso de bujías especiales para disipar el calor debido a las temperaturas más altas ocasionadas por una mayor velocidad de combustión y un sistema auxiliar de arranque en frío que inyecta la gasolina en un pequeño tanque en un compartimento especial del motor para el arranque en frío (AN, 2008). 2.1.2 Uso de etanol como combustible en Estados Unidos La actual política de cambio del gobierno de Estados Unidos, se fundamenta principalmente en que existe un estancamiento y atraso social contra un crecimiento económico y desarrollo tecnológico muy amplio, por lo que se quieren centrar en la contribución de los avances tecnológicos en el cambio de hábitos de consumo y cambios culturales, no sólo en los EU, sino en todo el mundo (Landa, 2008). Las políticas públicas más eficaces que han logrado expandir la producción de energías renovables son las del tipo no agrícola, La mayoría de las políticas agrícolas han girado en torno a la oferta de alimentos. Durante las décadas de los 80´s y 90´s, las inversiones en la industria del etanol y su producción se incrementaron gracias a los incentivos otorgados por el gobierno. Tan sólo en 2005, la industria del etanol produjo 4 mil millones de galones, el cual, se mezcla en una proporción de 10% del combustible que se consume en todo el país (CFDC, 2007). En la figura 2 se observa el incremento de la producción anual de etanol en Estados Unidos entre los años 1980 y 2005

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2. Antecedentes

PRODUCCIÓN ANUAL,MILLONES DE GALONES DE ETANOL 12000 10,600

10000 8000 6000 4000

3,900

2000 610

175

0

1980

1985

900 1990

1,400 1995

1,630 2000

2005

2009

Figura 2. Producción anual de etanol en los Estados Unidos, 1980 - 2009 Fuente: Biofuels Journal, 2010.

En esta figura se observa que la forma de la curva de producción de etanol es casi de forma exponencial, teniendo la mayor producción en el año 2005, por lo que se esperaría que la en época actual, esa tendencia sea aún mayor. La Administración de Información de Recursos Energéticos del Departamento de Asuntos Energéticos de Estados Unidos, calcula que este país consume cerca de 140,000 millones de galones de combustible al año. En consecuencia, en términos de su contribución relativa a la satisfacción de las necesidades de combustible para el transporte, la producción de etanol cubrió cerca del 3% del consumo de gasolina en el país en el año 2005 (ICA, 2007). En los años 2005-2006, se utilizó un 14% de la cosecha de maíz en la producción de etanol y en 2006-2007, aumentó al 20%. La producción de maíz es relativamente pequeña con la demanda de combustible, por lo que será necesario desarrollar otras fuentes de energía renovable para sustituir las importaciones de petróleo. En relación con la política estadounidense en apoyo al desarrollo de los biocombustibles, destacan los siguientes aspectos:

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2. Antecedentes



Política energética

Gran parte del crecimiento en la producción del etanol a partir del maíz se puede atribuir a programas de incentivos impulsados por el gobierno desde inicios de los 70’s. En la Ley de Fiscalidad Energética de 1978, se autorizó la exención de pago de impuestos al consumo de combustibles para motor con mezclas de etanol, otorgando a las mezclas de al menos 10% de etanol por volumen una exención de US$0.40 por galón del impuesto federal de combustibles para motor. A partir de ese año, la ley federal autorizó un crédito tributario de US$0.51 por galón para el etanol. (CFDC, 2007) 

Política ambiental

El etanol se utilizó por primera vez como un aditivo para combustible a finales de los años 70´s, cuando la Agencia de Protección Ambiental (EPA), inició la supresión progresiva del plomo en la gasolina y se usó el etanol para reemplazarlo como aumentador de octanaje. La Ley del Aire limpio (CCA), estableció los programas de combustibles oxigenados y de gasolinas reformuladas (RFG) con el propósito de controlar las emisiones de CO y daños a la capa de ozono provenientes de los combustibles fósiles. A fin de cumplir con los nuevos requerimientos, las refinadoras mezclaron gasolina con componentes oxigenados más limpios, como el etanol y MTBE, aunque actualmente se está disminuyendo su uso en casi todo el mundo y viene siendo reemplazado por el etanol (CFDC, 2007). Desde que el MTBE fue sacado del mercado energético estadounidense en el año 2005, la demanda de etanol ha ido incrementándose drásticamente, tanto que para el año 2012, se requerirán cinco mil millones de galones extras por año, por lo cual, este país se encuentra aumentando su capacidad de elaboración de etanol para abastecer esa gran demanda (AVL, 2005). La tabla 2 muestra el consumo de etanol, MTBE y gasolina para finales del año 2000.

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2. Antecedentes

Tabla 2. Consumo de distintos combustibles en Estados Unidos (miles de galones) AÑO Combustible

1994

1996

1998

2000

E85

80

694

1,727

3,283

E95

140

2,699

5,900

-

E10

845,900

660,200

916,000

908,700

MTBE

2,108,800

2,749,700

2,915,600

3,111,500

Gasolina

113,144,000

117,783,000

122,849,000 127,568,000

Fuente: Departament of Energy, 2001

En esta tabla se observa que el consumo de combustibles con etanol ha ido aumentando considerablemente desde los 90´s, pero aún así, la gasolina es el combustible que mayor demanda tiene en el mercado actualmente. La US Renewable Fuels Asociation (RFA) presentó en el año 2002, una guía para el uso de etanol en cualquier proporción como combustible de automotores en el mercado americano, la cual contiene una compilación de aspectos técnicos que deben considerar las compañías energéticas para su elaboración y distribución como combustible en sus puntos de consumo, basados en la experiencia de decenas de compañías petroleras y alcoholeras pertenecientes a esta asociación (RFA, 2002). La tabla 3 muestra una compilación de las caracteristicas principales que debe tener el etanol para poderse mezclar con las gasolinas norteamericanas. En esta tabla se muestra que EU cuenta con una serie de normas que especifican cómo debe ser el etanol que se pretenda mezclar con la gasolina común, las cuales son muy estrictas, ya que es importante que se asegure que los vehículos no presentarán algun problema de funcionamiento debido a un etanol de baja calidad.

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2. Antecedentes

Tabla 3. Estándares norteamericanos para el uso del etanol mezclado con gasolina como combustible Propiedad

Especificación

Método ASTM

Etanol, vol%

92.1

D5501

Contenido de agua %vol. máximo

1

E203

Contenido inorgánico máximo de sodio, mg/lt

32

D512

Contenido máximo de cobre, mg/kg

0.1

D1688

pH

6.5-9.0

D6423

Apariencia

Visibilidad libre de particulas suspendidas o contaminantes (claro y brillante)

Fuente: RFA, 2002

Para el año 2007, la producción total de azúcar en Estados Unidos fue de 2,707,000 toneladas, con un rendimiento de 6.99 toneladas por hectárea. La mayoría del etanol producido en los Estados Unidos se obtiene a partir del maíz teniendo un costo de producción de US$0.29 centavos por litro. En el año 2000, había 54 plantas destiladoras de etanol, con una capacidad de producción de aproximadamente 1.75 mil millones de galones por año, cifra que ha ido en aumento hasta llegar a tener más de 100 plantas de etanol, cuya capacidad de producción supera los 4.5 mil millones de galones anuales (ICA, 2007). La tabla 4 muestra la capacidad de producción de etanol por estado. En esta tabla se observa que Estados Unidos cuenta con suficiente infraestructura para poder explotar sin problema este tipo de bioenergético, sólo que las políticas internas de ese país no siempre apuntan a un desarrollo sostenible, si no únicamente considerar el bien propio.

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2. Antecedentes

Tabla 4. Producción de etanol por estado Estado Iowa Illinois Nebraska Minnesota South Dakota Wisconsin Kansas Indiana Missouri Colorado Tennesse North Dakota Michigan Kentucky California Nuevo México Wyoming Ohio Georgia Total

Capacidad MMgal/año 1,606 706 566 546 475 193 179 122 110 93 67 51 50 38 34 30 5 3 0.4 7,872

% Capacidad

No. de plantas

% de plantas

33 14.5 11.6 11.2 9.7 4 3.7 2.5 2.3 1.9 1.4 1 1 0.8 0.7 0.6 0.1 0.1 0 100

25 6 11 16 11 5 7 2 3 3 1 2 1 2 3 1 1 1 1 102

24.5 5.9 10.8 15.7 10.8 4.9 6.9 2 2.9 2.9 1 2 1 2 2.9 1 1 1 1 100

Fuente: CFDC, 2007

En el ámbito económico, la industria del etanol en este país ha originado cerca de 50 mil trabajos, aumentando los ingresos en el sector industrial de una manera acelerada. De los años 1996 a 2002, la industria del etanol generó más de 51 mil millones de dólares para la economía norteamericana, incrementándose a razón de 3% por año (Ethanol, 2000). A principios del año 2009, Estados Unidos contaba con casi 8 millones de vehículos Flex Fuel, utilizando combustible E85, frente a los 5 millones del año 2005. Los vehículos Flex Fuel fabricados en Estados Unidos, fueron diseñados para funcionar con cualquier mezcla de gasolina sin plomo y etanol, entre E0 y E85. A fin de reducir las evaporaciones de etanol, y evitar problemas con el arranque del motor durante días fríos, la mezcla máxima de etanol se estableció en un 85%. Para el año 2008, casi cualquier tipo de automóvil, ya sea de tipo industrial, camionetas pick up, y autos pequeños, se encuentran disponibles para operar con cualquiera de estos dos Camarillo, 2011

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2. Antecedentes

combustibles; aunque más del 68% de los usuarios no sabían que su auto es un Fuel Flex, por falta de divulgación al respecto (NREL, 2008). 2.1.3 Uso de etanol anhidro como combustible en América Latina No solo Brasil y Estados Unidos se encuentran realizando reformas energéticas y revolucionando los combustibles destinados para el transporte, también países latinoamericanos como Colombia, Costa Rica y Venezuela se encuentran investigando y empezando a activar su sector agrícola en materia de bioenergéticos. Colombia, es uno de los países de mayor producción de dos materias primas de enorme peso en la producción futura de biocombustibles, como lo son el azúcar y el aceite de palma. Este país tiene excedentes exportables de estos dos productos, por lo que le abre una ventana a la posibilidad de generar nuevos empleos y en general, una activación económica (Tobón, 2007). Según la Asociación Colombiana de Cultivadores de Caña de Azúcar (Asocaña), el área de cosecha de caña de azúcar se incrementó en el periodo comprendido entre 1991 y 2005, a una tasa de aproximadamente 3.8% anual, pasando de 112,640 hectáreas en 1993 a 212,446 para el año 2005. Asocaña calcula que el consumo anual de gasolina para las ciudades de más de 500 mil habitantes y para las áreas metropolitanas como lo son Bogotá, Medellín, Cali, Barranquilla, Cartagena y Bucaramanga, ronda en los 12 millones de litros diarios, por lo tanto, se necesitarían 1.2 millones de litros diarios de etanol anhidro para oxigenar las gasolinas en una proporción del 10%. En otras palabras, para cubrir las demandas de las ciudades mencionadas, se debe contar con 5.93 millones de toneladas de caña de azúcar, lo que corresponde a unas 54 mil hectáreas de caña de azúcar (ICA, 2007). Los resultados de algunos estudios realizados en la Universidad de Antioquía, Colombia con una mezcla E20 en dos automóviles comunes del parque vehicular de este país, muestran un ligero aumento en el consumo del combustible E20 en comparación de la gasolina común, registran un aumento de la potencia mecánica y en cuestión de las emisiones, se habla de una reducción general en la emisión de hidrocarburos totales Camarillo, 2011

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2. Antecedentes

(HT), así como de monóxido de carbono. Por parte de los NO X y el CO2, no se observa una reducción importante (Morales, 2010). En otro estudio realizado por parte de investigadores pertenecientes a la Universidad Nacional de Colombia para el Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, celebrado en Perú, se determinó que con un combustible E10, la potencia y el torque del motor aumentan como consecuencia de un mejor proceso de combustión, siendo el aditivo oxigenante eficaz en suplir la demanda de oxigeno para la combustión ante la disminución de la presión atmosférica, encontrándose a una altura de 2600 msnm. El aumento en el contenido de CO2, la disminución en el porcentaje de CO, y la disminución de los hidrocarburos no quemados son evidencia de un proceso de combustión más eficiente, con mayor liberación de energía. El aumento en los óxidos de nitrógeno es consecuencia de temperaturas de combustión más altas, coherentes con las medidas de temperatura realizadas en el tubo de escape. El consumo específico de combustible disminuye al utilizar E10; Las pérdidas de potencia y torque con respecto a los valores especificados de fábrica son consecuencia de la presión atmosférica y del ajuste del motor (Córdoba, 2010). Los autores encontraron que ocurre un mejor proceso de combustión al utilizar etanol anhidro, pues este aditivo oxigenante es eficaz en suplir la demanda de oxigeno para la combustión ante la disminución de la presión atmosférica (Gamboa, 2005). Por otra parte, Costa Rica, es uno de los países con gran iniciativa en el rubro de bioenergéticos. El consumo de hidrocarburos en el año 2005, alcanzó los 16.6 millones de barriles y se considera que para el año 2019 de seguir la tendencia actual, llegarían a los 20 millones. Por este problema, el gobierno ha implementado planes de contingencia dirigidos especialmente a reducir el consumo de gasolina, como lo son reducir la circulación vehicular y se han programado proyectos piloto para impulsar la producción nacional de etanol, en un intento de sustituir al menos parcialmente la importación de petróleo (ICA, 2007).

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2. Antecedentes

Para la cosecha de caña de azúcar del periodo 2005 - 2006, la producción se estimó en 382,824.4 toneladas de azúcar con un rendimiento de 8 toneladas por hectárea. (ICA, 2007). Costa Rica cuenta con 15 ingenios azucareros y diversos centros de investigación, que realizan estudios para mejorar los procesos de producción de caña de azúcar y por ende etanol, como lo son la liga agrícola industrial de la caña de azúcar (LAICA). Cuba también se ha sumado a la apuesta por los biocombustibles como sustitutos de los hidrocarburos comerciales. En el año 2007, se comenzó un estudio amplio sobre el uso de dos distintos alcoholes como posibles sustitutos u oxigenantes de las gasolinas cubanas, el etanol hidratado y el anhidro. El principal problema del uso del etanol anhidro es su alto costo como ya se ha mencionado (hasta 2 veces mayor el costo de producción que el del hidratado) y dadas estas circunstancias, el gobierno cubano profundizó en el uso y aplicación del etanol hidratado como sustituto de la gasolina (Villaroel, 2007). A las conclusiones que llegaron los investigadores cubanos, es que debido a los condiciones climatológicas de su país, pueden mezclar el etanol hidratado con la gasolina sin ningún tipo de problema de separación de fases, ya que para que esto ocurra, la temperatura medioambiental debe ser menor a 10°C, valor que no se ha registrado en las temperaturas invernales de este país; establecieron que la mejor proporción de mezcla gasolina-etanol hidratado en cuanto a pruebas de combustión resultó ser en 20-25% de etanol y el restante en gasolina, presentando las mejores condiciones de torque (12%), tiempo de aceleración (18.3%) y desempeño energético (30%) (Villaroel, 2007). Finalmente, en Venezuela, la empresa estatal Petróleos de Venezuela, S.A. (PDVSA) se encuentra en proceso de crear una empresa mixta que se dedique a la producción de etanol. Este producto lo obtienen a partir de la caña de azúcar y se adiciona en distintos porcentajes a la gasolina para obtener una mezcla menos contaminante para la naturaleza. Las necesidades del país llegan a 20 mil barriles diarios, ya que toda la gasolina que se vende en el mercado interno se mezcla con alcohol carburante. Casi Camarillo, 2011

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2. Antecedentes

todo el etanol que se consume en Venezuela se importa de Brasil para mezclarlo con gasolina en proporciones de hasta un 8% (ICA, 2007). Se calcula que Venezuela requiere de unos 20 mil barriles diarios de etanol para mezclarlo con la gasolina en porcentajes del 7% y 8% para satisfacer las demandas de combustible (WET, 2006). 2.2 Contexto nacional En México, se cultivan aproximadamente 50 millones de toneladas de caña, para una producción de 5.8 millones de toneladas de azúcar y 1.8 millones de toneladas de melazas (zafra 2004 - 2005)

y uno de sus destinos finales es precisamente la

producción de alcoholes de distintas calidades (Enriquez, 2006). El gobierno mexicano ha expresado su interés en aumentar del 3% actual a un 8% en 2012, la participación de las energías renovables en el abastecimiento total de energía del país. Diversos estudios estiman que la bioenergía puede abastecer entre el 54% y el 85% de las necesidades totales energéticas y esta oferta se derivará en un 27% a 54% de combustible de madera y en un 26% agrocombustibles. (ICA, 2007). Desde hace varios años, se produce etanol de caña de azúcar en los diferentes ingenios del país que cuentan con destilerías, sólo que su uso es para bebidas embriagantes e industriales y no para uso combustible. Aproximadamente, la mitad de los ingenios del país cuentan con destilerías, aunque unas más modernas que otras, pero pueden producir etanol. La oferta total de etanol en el ciclo agrícola 2002-2003 fue de 39.2 millones de litros. La tabla 5 muestra la producción de etanol en los principales ingenios azucareros del país. En esta tabla se puede observar que casi en todos los ingenios, la capacidad que utilizan para la producción de etanol está a menos del 50%, por lo que se puede aumentar la producción, sin necesidad de la adquisición de más equipos para el abastecimiento.

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2. Antecedentes

Tabla 5. Producción de etanol por ingenio Producción de etanol en México y capacidad instalada

Ingenio Aarón Sáenz Calipam Constancia El Carmen El Mante Independencia La Joya La Providencia Pujiltic San José de Abajo San Nicolás San Pedro Total

(Litros por ciclo agrícola) Capacidad Producción instalada (ciclo 02-03) 8,550,000 4,948,000 2,400,000 990,261 9,000,000 4,997,400 5,400,000 2,923,000 7,200,000 5,082,300 4,500,000 1,250,908 4,200,000 1,307,000 7,500,000 1,818,471 6,000,000 3,373,004

Capacidad utilizada (%) 57.9 41.3 55.5 54.1 70.6 27.8 31.1 24.2 56.2

7,500,000

1,118,000

14.9

12,000,000 7,500,000 81,750,000

2,547,683 3,206,000 33,562,030

21.2 42.8 43.9

Fuente: Mesera et al, 2006

La capacidad instalada actualmente en las destilerías es de unos 346,000 litros/día; con rendimientos en el rango comprendido entre 230 y 250 litros/tonelada de melaza procesada. Actualmente, las dos destilerías con posibilidades fuertes de producir etanol anhidro se encuentran en Veracruz. Los ingenios La Gloria y San Nicolás pueden producir más de 115,000 litros/día (Enriquez, 2006). La producción de etanol en las destilerías mexicanas es bastante reciente y limitada; surgió después de la investigación desarrollada por el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP), donde se probaron mezclas de etanol anhidro en proporciones del 3%, 6% y 10% junto con gasolina base. Las pruebas de emisiones se realizaron en 12 motores, representativos del parque vehicular que corre en la zona metropolitana de la ciudad de México a 2,200 msnm. La determinación de las emisiones de estos combustibles se basó en el contenido de hidrocarburos, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno. Los protocolos de prueba se ajustaron estrictamente a la normativa exigida por el propio IMP y las autoridades correspondientes en materia ambiental (IMP, 2006).

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2. Antecedentes

La figura 3 muestra los resultados de la prueba, contrastándola con la mezcla gasolina MTBE actualmente utilizada (Enriquez, 2006). En esta figura se destaca que la reducción importante en CO, ocurre en la mezcla proporción de 6% etanol y 94% gasolina. México cuenta con una brecha tecnológica de 10 años de atraso respecto al parque vehicular de los Estados Unidos, lo que supone un problema en la utilización de mezclas de mayor contenido de etanol para los automotores; en Estados Unidos, se han utilizado vehículos con convertidor de tres vías con sensor de oxígeno a partir del año 1996, los cuales pueden compensar el exceso de oxígeno derivado del uso del etanol, a través del incremento en la masa de combustible inyectada en cada cilindro por ciclo; dado que el parque vehicular mexicano tiene 10 años de atraso, este tipo de vehículos empezaron a estar disponibles en el año 2006, lo cual asegura que un poco porcentaje de estos autos son utilizados en el país, por lo tanto, el uso de mezclas con contenidos mayores de etanol puede traer consecuencias graves en el rendimiento y vida útil del automotor (Schifter et al, 2000).

Figura 3. Resultados de la prueba de laboratorio Fuente: IMP, 2008

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2. Antecedentes

En febrero de 2008, se publicó la Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos, donde PEMEX abre las posibilidades de utilizar etanol anhidro como oxigenante en las gasolinas. El oxígeno presente en la gasolina garantiza una mejor combustión, quemando todo el contenido energético de ésta, de manera que las emisiones hacia la atmósfera se reducen de manera considerable. Debido a los problemas derivados del uso de MTBE como oxigenante, PEMEX aumenta sus investigaciones sobre la utilización de etanol como el principal oxigenante de la gasolina (SENER, 2008). En el tercer cuatrimestre de 2010, entró en vigor una prueba piloto de uso de mezcla etanol - gasolina en la zona conurbada de la ciudad de Guadalajara, donde se invertirán por parte de PEMEX entre 150 y 320 millones de pesos, con una demanda estimada de 200 millones de litros de etanol por año (SENER, 2008). La infraestructura requerida fue de 4 tanques con 10 mil barriles de capacidad cada uno, en la zona de El Castillo y Zapopan, Jalisco. El objetivo final de esta prueba piloto será asegurar la competitividad a largo plazo del etanol contra el MTBE, así como realizar estudios de sustentabilidad donde no exista competencia contra el uso de la materia prima como alimento, evitar la deforestación y pérdida de biodiversidad. (Soberanis, 2008). Varias instituciones tanto públicas como privadas han empezado a realizar investigaciones en torno al uso de biocombustibles, principalmente etanol y biodiesel. Actualmente, se trata de casos aislados de institutos de investigación o empresas privadas que tienen proyectos vigentes para producir etanol de distintas maneras. Sin embargo, son esfuerzos individuales y a pequeña escala. Entre las más destacadas se encuentran la Universidad Autónoma de Chapingo (UACH), el Instituto Tecnológico de Monterrey (ITESM), el Instituto Nacional de Investigación Agrícola, Pecuaria y Forestal (INIFAP), organizaciones gremiales como la Confederación de Agricultores del Estado de Sinaloa (CADESS), una empresa privada en Cadereyta, Nuevo León, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales, la Secretaría de Agricultura, la Secretaría de Minas y Petróleo de México, el Instituto Mexicano del Petróleo, entre otros (ICA, 2007).

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3. Objetivos

3. OBJETIVOS 3.1 Objetivo general Realizar pruebas de combustión en un motor monocilíndrico de ignición por chispa alimentado con mezclas gasolina-etanol anhidro/hidratado en proporciones volumétricas del 90-10%, 80-20%, 70-30% y 60-40% respectivamente, para comparar los parámetros de resultantes y determinar si existen diferencias al utilizar uno u otro etanol. 3.2 Objetivos específicos 

Realizar análisis de densidad relativa en el etanol anhidro, hidratado, y la gasolina base; estimar la relación estequiométrica aire/combustible y observar la miscibilidad, olor y aspecto físico de las ocho mezclas combustible.



Medir las temperaturas de admisión de aire en la entrada de combustible a la cámara y de los gases de escape en el tubo colector.



Elaborar pruebas de consumo másico y específico de combustible.



Medir la potencia indicada, desarrollada en la cámara de combustión para cada mezcla utilizada.



Medir y analizar los gases de escape producto de la combustión de las ocho mezclas combustible, así como el combustible de referencia.

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4. Hipótesis

4. HIPÓTESIS

1. No existe una diferencia resaltable en los resultados de las pruebas de consumo de combustible, temperaturas de admisión y escape, potencia y torque indicados, así como los de gases de escape, al utilizar etanol hidratado o anhidro 2. Existe completa miscibilidad de la gasolina y el etanol anhidro e hidratado en proporciones

volumétricas

de

90%-10%,

80%-20%,

70%-30%

y

60%-40%

respectivamente para temperaturas mayores a 25°C.

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5. Marco Teórico

5. MARCO TEÓRICO 5.1 Caracterización de combustibles La caracterización de un combustible consiste en identificar sus propiedades físicas y químicas a través de diversas pruebas de laboratorio. Es importante conocer estos parámetros debido a que el diseño de los depósitos de combustible en los automóviles, bombas y conductos se basan en sus propiedades físicas y químicas del combustible a utilizar para evitar desgastes, pérdidas por evaporación así como caídas de presión. Dentro de los parámetros más comunes, se encuentran la densidad relativa, temperatura de ebullición, temperatura de inflamación, temperatura de autoignición, miscibilidad, presión de vapor, poder calorífico, viscosidad, olor y aspecto físico, número de octanaje, grado de goma y relación estequiométrica aire-combustible. La densidad relativa es la relación que existe entre el peso de un cuerpo y el de igual volumen de agua a una temperatura normalmente medida de 20°C (Potter, 2006). La temperatura de ebullición es la que provoca que un líquido cambie hacia la fase gaseosa, donde su presión de vapor es igual a la presión del medio que lo rodea (Mohina, 2010). La temperatura de inflamación es aquella en la que un combustible emite gases inflamables suficientes para alcanzar en su entorno el límite inferior de inflamabilidad, a partir del cual, con una fuente de calor externa puede producirse una combustión no automantenida (PEMEX, 2010-B). La temperatura de autoignición es la temperatura mínima a la que un gas inflamable o mezcla de aire-vapor que se encuentra en contacto con el aire, arde espontáneamente sin necesidad de una fuente de ignición. A esta temperatura se alcanza la energía de activación suficiente para que se inicie la reacción de combustión (Mowrer, 2003). La miscibilidad es la propiedad que tienen algunos líquidos para mezclarse en cualquier proporción, formando una solución homogénea. El agua y el alcohol son miscibles en

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5. Marco Teórico

cualquier proporción, pero la gasolina es inmiscible con el agua, de ahí la importancia de esta prueba para las mezclas combustibles (Mohina, 2010). La presión de vapor evalúa la tendencia del combustible a evaporarse. Debe ser suficientemente alta para garantizar el arranque fácil del motor, pero no tanto que llegue a contribuir a la interrupción del paso del combustible al sistema de alimentación. Las gasolinas con presión de vapor muy alta, tienden a provocar pérdidas mayores por evaporación impactando directamente en el medio ambiente (CEPAL, 2006). El poder calorífico es la cantidad de energía calorífica que entrega una determinada cantidad de combustible al oxidarse en forma completa. Expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y un comburente. Es necesario conocer este parámetro para determinar qué tan eficiente será la combustión, pues a menor poder calorífico, se necesita mayor combustible para desarrollar la misma potencia, en el caso de un automotor (CEPAL, 2006). La viscosidad es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Es importante la medición de este parámetro porque da una medición del grado de fluidez del combustible; permite apreciar la posibilidad del bombeo en un depósito y de esta manera, saber si se tendrá un suministro regular a la cámara de combustión (CEPAL, 2006). El olor y aspecto físico es una prueba importante de realizar, ya que se debe reconocer un combustible con sólo olerlo o verlo, para que en caso de fuga o derrame, se pueda identificar de qué tipo de combustible se trata y así realizar el procedimiento adecuado para evitar un accidente. Los olores característicos de los combustibles líquidos son muy penetrantes y el estar en contacto directo durante un tiempo prolongado, puede causar náuseas, cefaleas e incluso vómito. El número de octano u octanaje, es la capacidad que tiene un combustible para resistir la detonación y se clasifica en dos principales tipos: RON (Research Octane Number), es una escala que mide la capacidad antidetonante del combustible con respecto a la de una mezcla patrón formada por una mezcla de Camarillo, 2011

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isoctano y n-heptano; de esta forma, se determina el número de octanos del combustible con respecto al porcentaje de isoctano en la mezcla estándar. Por ejemplo, una gasolina que tiene la misma capacidad antidetonante que una mezcla formada por 87% de isoctano y 13% n-heptano, se dice que tiene un octanaje de 87 octanos (ASTM D2699-11, 2010). MON (Motor Octane Number), también se basa en un combustible de referencia, formado por isoctano y n-heptano; la diferencia que tiene con la medida RON es que se sobrecarga más el motor durante el ensayo, ya que se utiliza más revolucionado y con tiempos de ignición variables (ASTM D2700-11, 2010). Por último, la relación estequiométrica aire-combustible (A/F por sus siglas en inglés), es un parámetro adimensional utilizado para describir la cantidad de aire necesaria para la combustión completa de un combustible utilizado (en este caso, gasolina); lo que realmente se utiliza del aire es el contenido de oxígeno (79% nitrógeno y 21% oxígeno en volumen), por lo que la cantidad de aire es mucho mayor a la cantidad de combustible para la reacción química (Eastop, 1993). El valor ideal o estequiométrico de la relación AF para la mayoría de las gasolinas comerciales es muy cercano a 15:1. Los sistemas de inyección o carburadores, sirven para regular el contenido de combustible para cualquier flujo de aire; los motores de gasolina, normalmente tienen un rango de AF que va desde 12:1 a 18:1, dependiendo de las condiciones de operación, tales como aceleración repentina, arranque, rebase, etc. (Pulkrabek, 2000). 5.2 Características del etanol El etanol, también conocido como alcohol etílico, es un líquido incoloro de fórmula química CH3CH2OH (o también expresado como C2H5OH), inflamable, de olor y sabor agradable, miscible en agua en todas sus proporciones y con la mayoría de los disolventes orgánicos. Debido a que el etanol contiene hasta un 35% de oxígeno en su composición, puede provocar una combustión más completa en el automotor, resultando en esto, menores emisiones de gases contaminantes hacia la atmósfera (IM, 2005). Camarillo, 2011

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La tabla 6 muestra las características fisicoquímicas del etanol anhidro. Tabla 6. Características fisicoquímicas del etanol anhidro Parámetro Temperatura de ebullición (°C)

Valor 78.5

Temperatura de inflamación (°C)

13

Temperatura de autoignición (°C)

363

Densidad relativa (g/cm3)

0.79

Solubilidad en agua Presión de vapor (mmHg a temp. ambiente)

miscible 43

Poder calorífico inferior (KJ/kg)

26,810

Poder calorífico superior (KJ/kg)

29,670

Número de octanaje (RON, MON)

109/98

Relación estequiométrica A/F

9

Fuente: IM, 2005

El etanol se obtiene a partir del etileno por hidratación catalítica o por una reacción de adición de acido sulfúrico e hidrólisis posterior. Se produce también por fermentación de productos naturales ricos en hidratos de carbono, tales como la caña de azúcar, papa, maíz y arroz, principalmente. (Montoya, 2006). Existen varios tipos de etanol, de acuerdo a la cantidad de agua que tiene presente, como lo son alcohol del 70, alcohol del 96, alcohol del 26, etc. Ese número, se refiere al porcentaje de alcohol puro, el valor restante se refiere a la cantidad de agua; por ejemplo el alcohol del 96 tiene un 4% en volumen de contenido de agua y 96% de alcohol absoluto. El etanol absoluto, o etanol anhidro es el que tiene el más bajo contenido de agua. Para que el etanol se considere absoluto, debe tener una proporción de volumen de agua menor al 0.5%. Este tipo de etanol se utiliza en la industria como solvente de algunos Camarillo, 2011

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compuestos, pero principalmente se utiliza como combustible, mezclándose con gasolina en distintos proporciones (Espinosa, 2010). El contenido máximo de pureza que se puede obtener de un etanol por medio de destilación normal es del 96%. En este nivel, la mezcla alcohol-agua tiene un comportamiento azeotrópico, con lo que las propiedades químicas y físicas de ambos compuestos se fusionan en uno, conservando las propiedades del etanol, es por ello que para obtener etanol anhidro se requiere de un proceso extra a la destilación, lo que trae como consecuencia un encarecimiento del producto, por lo tanto, llega a ser económicamente inviable para su uso en países que empiezan la producción de este tipo de combustible, como el caso de México (Pérez, 2005). Es por ello que recientemente se ha utilizado el etanol hidratado (normalmente entre un 4% y 4.9% máximo de agua) como un oxigenante potencial en las gasolinas comunes de países como Brasil y Cuba debido a sus condiciones climatológicas, ya que la gasolina aumenta su tolerancia al agua

a temperaturas mayores a 20°C,

aproximadamente. El inconveniente que presenta este combustible es su baja miscibilidad con la gasolina en climas fríos, debido al contenido de agua, por lo que su uso aún no se ha potencializado a nivel mundial (Sodré et al, 2009). La tabla 7 muestra las caracteristicas principales del etanol hidratado como combustible.

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Tabla 7. Características fisicoquímicas del etanol hidratado Parámetro Estructura química

Valor C1H5.84O

Densidad relativa (kg/l)

0.81

Poder calorífico (KJ/kg)

24,995

Relación estequiométrica A/F

8.81

Temperatura de autoignición (°C)

420

Presión de vapor (bar)

29

Número de octanaje (RON/MON)

106/87

Fuente: (Sodré et al, 2009)

5.3 Características de la gasolina La gasolina es una mezcla de hidrocarburos derivada del petróleo, que se utiliza como combustible en motores de combustión interna de ignición por chispa; su fórmula química es C5H12 y C9H20 (PEMEX , 2004-a). La gasolina se obtiene del petróleo en una refinería, la cual se encarga de transformarlo en derivados comercializables. Es de color rojo, con un olor característico un tanto agradable, pero al estar por periodos prolongados en contacto, llega a causar nauseas. (PEMEX R. , 2004). En México, existen dos tipos de gasolinas: la gasolina magna y la premium. La magna contiene un octanaje menor que la premium, es la más común utilizada en los vehículos del país y su precio es menor que la segunda (PEMEX R. , 20010). La tabla 8 muestra las características fisicoquímicas de la gasolina magna Las gasolinas contienen aditivos químicos llamados oxigenantes. Los oxigenantes permiten que exista la combustión completa en los motores; de esta forma se reduce la cantidad de gases contaminantes emitidos al medio ambiente, principalmente monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados. Camarillo, 2011

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Existen muchos tipos de oxigenantes utilizados para las gasolinas, como los éteres. El metíl tert butil eter (MTBE) es un compuesto oxigenante que al mezclarlo con la gasolina eleva el octanaje del producto final; este aditivo vino a sustituir al plomo debido a que presentaba impactos negativos en la salud, como la aparición de cáncer y la contaminación ambiental, también porque el MTBE es menos costoso que el plomo y puede ser producido en las mismas refinerías de petróleo (Carrasco, 2001). Tabla 8. Características fisicoquímicas de la gasolina magna Parámetro Temperatura de ebullición (°C)

Valor 38.8

Temperatura de inflamación (°C)

21

Temperatura de autoignición (°C)

250

Solubilidad en agua

insoluble

Presión de vapor (Kpa)

6.5 - 7.8

Poder calorífico inferior (KJ/kg)

44,000

Poder calorífico superior (KJ/kg)

47,300

Número de octanaje (RON, MON)

91/80

Relación estequiométrica A/F

14.7-15

Fuente: (PEMEX, 2004-a)

Estudios realizados por algunos organismos internacionales como la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (US EPA), indican que el MTBE también tiene efectos nocivos sobre el ambiente y en la salud del ser humano. El MTBE es un compuesto químico que ocasiona enfermedades cancerosas y alteraciones genéticas; es muy volátil y completamente soluble en el agua, lo que puede ocasionar contaminación en fuentes de abastecimiento de agua potable (EPA, 2005). Algunas ventajas de utilizar etanol en lugar de MTBE es que contiene un 35% de oxígeno por peso, lo que representa el doble de oxígeno que tiene el MTBE, lo que produce una combustión más completa. Adicionalmente, el etanol es particularmente biodegradable, eliminando algunas de las preocupaciones relativas a la contaminación de agua que como ya se vio, se le han atribuido al MTBE (Montoya, 2006). Camarillo, 2011

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5.4 Mezclas gasolina-etanol anhidro La idea de agregar bajos contenidos de etanol a la gasolina no es nueva, ya que a raíz de la crisis energética de los años 70’s, se empezaron a utilizar mezclas de etanol o metanol con diesel y gasolina. Inicialmente, el metanol fue considerado el alcohol más atractivo para ser mezclado con la gasolina, debido a que es producido por gas natural a un bajo costo y es fácilmente mezclable con la gasolina; pero la experiencia llevó a los investigadores a darse cuenta de que el uso de este aditivo, conllevaba a un estricto control de seguridad a la hora de su transporte y almacenamiento, ya que es muy corrosivo en algunos materiales como el plástico e incluso metales, con lo cual, los automóviles empezaron a dar problemas en su funcionamiento. Es por ello que el etanol se utiliza desde esa época para mezclarse en distintas proporciones con la gasolina (AVL, 2005). En países como Estados Unidos y Canadá, se le llama gasohol a la mezcla de gasolina y alcohol en distintas proporciones. El uso más común de este término se refiere a la mezcla con 10% etanol y 90% gasolina, pero también se utiliza en general para referirse a las mezclas con bajos contenidos de alcohol, usualmente inferiores al 25%. Las mezclas que contienen un alto porcentaje de alcohol requieren que el motor, el sistema de inyección y otros componentes del vehículo sean adaptados a las propiedades químicas del alcohol, con mayor atención a los efectos corrosivos (Nichols, 2003). La proporción entre ambos combustibles se suele indicar con el porcentaje de etanol precedido por una letra E mayúscula. De esta manera, el combustible E10 se compone de 10% etanol y 90% gasolina y el E85 se obtiene mezclando 85% etanol y 15% gasolina (Nichols, 2003). El E10 es una mezcla que puede usarse en los motores de la mayoría de los automóviles sin producir daño alguno en ellos. En diversas literaturas se describe que el uso de mezclas E20 no exige modificaciones en los motores, pero para mezclas de mayor porcentaje de etanol, se requiere un diseño especial del motor, aunque por otro lado, existen evidencias de que para mezclas mayores al 5% de etanol, ya se requieren modificaciones especiales para el correcto funcionamiento del motor. Los componentes Camarillo, 2011

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del automotor más afectados por concentraciones mayores de etanol se pueden resumir de la siguiente manera: 

10% etanol

Para mezclas de hasta un 10% únicamente se requiere modificación en el carburador, ya que el convencional es de aluminio y por lo tanto, un contenido mayor de etanol puede dañarlo. Se debe sustituir o utilizar un tratamiento de superficie o un anonizado. La inyección electrónica no necesita ninguna modificación (Mello et al, 2006). 

10% - 20% etanol

Para mezclas del 10% al 20%, se requiere además sustituir al carburador debido al problema anteriormente mencionado, aparte los componentes de poliamida 6.6 deben ser sustituidos por otros materiales que soporten el contenido de etanol. En el sistema de inyección electrónica, se requiere sustituir los inyectores convencionales por unos de acero inoxidable, con la finalidad de favorecer la atomización; se requiere una nueva calibración del motor y sustitución del sensor de oxígeno. Por el lado del tanque de combustible, si es metálico, la superficie interna debe ser protegida con un recubrimiento adecuado y de igual manera, los componentes de poliamida 6.6 deben ser sustituidos por otros materiales. La superficie interna de la bomba y los devanados deben ser recubiertos por un material anticorrosivo. El convertidor catalítico también requiere de un cambio, principalmente por la cantidad de metales nobles que están presentes en el catalizador (Joseph, 2007). 

20% - 100% etanol

Para mezclas del 20% hasta incluso 100%, se requiere prácticamente una modificación total del motor, empezando por el carburador, las partes metálicas y plásticas del motor, el tanque de combustible, tubo de escape, la bomba de combustible, múltiple de admisión, el dispositivo de presión del combustible, sistema de ignición, y el filtro del combustible (Mello et al, 2006). De forma general, la tabla 9 muestra las modificaciones necesarias que debe tener un motor para que pueda operar correctamente con mezclas mayores a E20.

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Tabla 9. Modificaciones necesarias en motores para mezclas > E20 Mezcla Etanol

Carburador

(%)

Sistema

Inyección

Bomba

Combustible

Combustible

Filtro

de Ignición

Tanque

Convertidor

Motor

Combustible

Catalítico

Básico

Aceite del Motor

Sistema de escape

Sistema de Arranque en Frío

PARA CUALQUIER VEHÍCULO