Efectos del uso de biocombustibles en las emisiones generadas por los motores

Siguiendo la metodología empleada anteriormente a continuación se presentan los resultados encontrados en diferentes investigaciones de acuerdo al tiempo en el que fueron publicadas.

9.2.1 Resultados de Investigaciones Realizadas en Periodos Anteriores al año 2002

En la investigación realizada por Agudelo S John R et. Al., [15] en el año 2002, se presentan los resultados de otros autores con respecto al efecto del uso del biodiesel en las emisiones generadas por los vehículos de prueba, entre las cuales se resaltan los siguientes resultados.

En términos generales se indica que los óxidos de nitrógeno (NOx) aumentan proporcionalmente con el aumento contenido de biodiesel en las mezclas de biodiesel – diésel. Por el contrario, la opacidad,

hidrocarburos no quemados o quemados parcialmente, así como el CO disminuyen a medida que se incrementa el contenido de biodiesel presente en el combustible.

Es importante resaltar la mención que se realiza a la investigación de Tickell, quién manifiesta reducciones de CO2 del 100%, debido a la fotosíntesis; reducciones de SO2 cercanas al 100% debido

a la ausencia de azufre en el biodiesel, de hollín entre 40-60%, de CO entre 10% y 50%, de hidrocarburos entre 10% y 50% y de aldehídos y compuestos poli aromáticos en torno a 13%. Además indica que dependiendo del ajuste y modelo de los vehículos empleados, es posible reducir el incremento de las emisiones de NOx entre 5% y 10%. [45]

Al igual que Tickell, otros autores afirman que el uso de los ésteres como combustibles para motores diésel presenta la ventaja del cierre del ciclo de vida del CO2 (por lo tanto consideran las emisiones

de este compuesto como nulas), resaltan la reducción de emisiones de CO, HC y hollín, por lo tanto la opacidad de los humos disminuye, al igual que la emisión de partículas. Sin embargo, este autor y otros, con respecto a las emisiones de NOx, no presentan una conclusión ya que de acuerdo con sus experiencias las emisiones de este contaminante pueden aumentar o disminuir de acuerdo con el diseño experimental que se utilice. [46]

En la investigación realizada por Agudelo S John R et. Al., también se presentan resultados que contradicen lo expuesto por Tickell, como se presenta a continuación:

Por ejemplo en la investigación realizada por Choo et. Al., quienes realizaron tanto pruebas estacionarias como en ruta, se reportan resultados con reducciones en de HC, NOx, CO, CO2 y SO2.

[19]

Otros autores, empleando aceite de colza como materia prima en la elaboración del biodiesel, estudiaron durante tres años buses de servicio público, flotas de camiones y vehículos ligeros con mezclas B30, B50, B100 y diésel, en los cuales encontraron como resultado un ligero incremento de las emisiones de NOx, reducción de los niveles de opacidad y emisiones neutras de CO2. En especial,

el uso de la mezcla B30 genera una notable reducción de HC y Material Particulado, mientras que las emisiones de aldehídos, cetonas y NO2 permanecieron iguales o similares, por otra parte el uso de la

mezcla B50 produjo un aumento en las emisiones de aldehídos y cetonas (25% a 35%).

En la investigación de Masjuki et.al., en la cual se empleó biodiesel de aceite de palma precalentado a diferentes temperaturas como combustible, en comparación con diésel convencional, las emisiones de CO2 y HC son mayores al utilizar el diésel convencional, sin embargo las emisiones de CO,

En este aspecto Gafar et al, quienes también evaluaron aceite de palma en relación B30, indican que a medida que se incrementa el contenido de biodiesel, disminuye la opacidad de las emisiones y los niveles de emisión de gases. [16]

9.2.2 Resultados de Investigaciones en Periodos Comprendidos entre el 2003 y el 2010

De acuerdo con los resultados obtenidos por Agudelo et al [26] efectuados en el año 2005, para un motor diésel de 2.5 litros de cilindrada, turbo alimentado, con inyección directa de combustible montado en un banco de ensayos y empleando diferentes mezclas de combustible biodiesel – diésel del 5%, 10% y 20% en volumen (producido a partir de palma de aceite), se presentan resultados de acuerdo al contaminante de interés de la siguiente manera.

 Emisiones de CO2

“El índice de emisión másico cuantifica la masa de CO2 emitida al quemar una unidad de masa de

combustible, se ha expresado en kgCO2/kg comb y se estimó directamente de la fórmula química del

combustible a partir del número de moles de CO2”

“Este índice se reduce en 0.6, 1.4 y 2.7% con B5, B10 y B20 respectivamente. Mientras que el diesel convencional emite 3.13 kgCO2/kg comb, las mezclas B5, B10 y B20 emiten 3.1, 3.01 y 3.06

kgCO2/kg comb respectivamente”

 Emisiones de CO

“Tanto las emisiones específicas como el índice de emisión de CO tienden a disminuir con el uso de biodiesel. Las emisiones específicas de CO disminuyen entre 3 y 14% al usar B5 y B20 respectivamente en el modo de funcionamiento 1 (pme = 0.85 bar); esta diferencia se atenúa a medida que incrementa el grado de carga del motor debido a que mejoran las condiciones de operación.”

Figura 9. Emisiones específicas de CO, en función del grado de carga.

Fuente:Agudelo et al [26] 2005

 Emisiones de NOx

“En este trabajo se obtuvieron ligeros incrementos en las emisiones específicas de NOx al usar biodiesel. Las mayores diferencias (en torno a un 3% para B20) se produjeron a elevados grados de carga, en los que las condiciones de temperatura en el motor son mayores.”

Figura 10. Emisiones específicas de NOx, en función del grado de carga.

 Opacidad del Humo

“El hollín tiende a oxidarse con la presencia del oxígeno en el cilindro, por lo que es de esperarse una disminución del porcentaje de la opacidad del humo en la medida que incrementa el porcentaje de biodiesel en la mezcla. En la figura se muestran los resultados de la opacidad del humo para los distintos combustibles en los cincos modos de funcionamiento del motor”.

Figura 11. Opacidad del Humo en función del grado de carga.

Fuente:Agudelo et al [26] 2005

Y finalmente, se presenta una figura a manera de resumen de los resultados obtenidos en esta investigación, en función de la concentración de biodiesel de aceite de palma:

Figura 12. Resumen, efecto de la concentración de biodiesel sobre las emisiones gaseosas y la opacidad del humo.

De la revisión realizada por en el año 2007, Magín Lapuerta Et. Al. [8] en la Universidad de Castilla – La Mancha (España), en el apartado de emisiones contaminantes se presenta lo siguiente:

 Óxidos de Nitrógeno

Con respecto a este contaminante, se encontró que el incremento en las emisiones de NOx se presenta únicamente bajo condiciones especiales de operación del vehículo, incluso, es posible obtener los tres tipos de comportamiento (aumento, disminución y no variación)

Por ejemplo, para un estudio realizado con un vehículo pesado siguiendo el tipo de configuración para pruebas 13- mode US Heavy-Duty test cycle, al emplear diferentes mezclas de biodiesel de soya, el incremento en las emisiones de NOx fueron proporcionales a la concentración de biodiesel en la mezcla de combustible, en el caso del uso de biodiesel puro el incremento en las emisiones de NOx fue del 8%

En otros estudios se encontró que para una mezcla del 40 % se llegó a determinar un incremento hasta del 16 % en las emisiones de NOx, al realizar la prueba en un motor Cummins L10E al emplear biodiesel puro, al realizar los estudios empleando mezclas de B20 el incremento fue del 3.7%, sin embargo al realizar la prueba con B30% el incremento fue de apenas 1.2 % con respecto al diésel convencional. [32]

En contraposición frente a lo expresado anteriormente, en esta investigación se reportan resultados en los cuales la emisión de NOx decrece al realizar las pruebas en el ciclo ECE R49, en los cuales se presenta una disminución de 6% en las emisiones de NOx durante la prueba de ciclo urbano.

Finalmente, para motores cuya inyección de combustible es indirecta reportaron resultados similares o iguales en lo referente a las emisiones de NOx, caso similar se presenta para vehículos que usan EGR u otros sistemas de recirculación de gases de escape,

Para esta época, la EPA, publicó un estudio referente a las emisiones de NOx en vehículos pesados que no tuvieran implementado ningún tipos de sistema de postcombustión, (EGR, por ejemplo), cuyo resultado implica un aumento casi lineal en las emisiones de NOx con relación a la cantidad de biodiesel empleado en la mezcla de combustible. A continuación se presenta la curva generada con los resultados publicados en este estudio.

Figura 13. Incremento en las emisiones de NOx, con respecto a la concentración de Biodiesel presente en la mezcla.

Fuente: Magín Lapuerta Et. Al. [8] 2007

 Material Particulado y Opacidad

En este aspecto, Lapuerta et. Al., resaltan que la mayoría de las publicaciones señalan una disminución significativa en las emisiones de Material Particulado, situación que se ve reflejada en la medición de opacidad.

Además, se presenta el resultado del estudio realizado por la EPA para vehículos pesados sin sistemas de postcombustión, mencionado anteriormente:

Figura 14. Reducción en las emisiones de Material Particulado en relación a la concentración de biodiesel.

Sin embargo, se señalan algunos estudios en los cuales para vehículos medianos y livianos la disminución en la emisión de material particulado y por ende la disminución de opacidad, no es tan significativa, siendo entre el 20 % y el 40 % únicamente, incluso para motores con inyección indirecta. Finalmente, en este apartado se relacionan estudios en los cuales la reducción de emisiones de material particulado, no es significativa y en el caso presentado por Tinaut et. Al. [47] para dos vehículos bajo el NEDC – New European Driving Cycle se identificó una sinergia en el combustible, razón por la cual las emisiones disminuyen levemente, no disminuyen o incluso para mezclas de combustible del 5% y 10% de biodiesel derivaron en un aumento en las emisiones de material particulado en los dos vehículos.

En la tesis dirigida por el Doctor Lapuerta, en la Universidad de la Mancha [33], los resultados obtenidos siguen la tendencia general expresada anteriormente, es decir, a mayor concentración de biodiesel menor emisión de material particulado. [29,30; 31 y 32]

En su investigación, Jinlin Xue et al., [34] además de concordar con los resultados propuestos por otros autores, en lo referente a la disminución de material particulado, señalan que la carga a la que es sometida el motor, influye significativamente en las emisiones de material particulado, ya que a mayor carga, las emisiones de material particulado son mayores, esta situación se presenta independientemente del tipo de combustible empleado. Esto corresponde con los estudios que indican que la disminución de la emisión de material particulado es menor cuando se somete el motor a cargas medianas y grandes.

La razón, según Jinlin, es que a mayores cargas en el motor, la relación aire-combustible disminuye, ya que la cantidad de combustible que se inyecta a la cámara de combustión es mayor, y en su mayoría pasa al escape sin quemarse.

9.2.3 Resultados de Investigaciones en Periodos Comprendidos desde 2011 hasta la fecha

La investigación realizada por Elango et. Al., [41] con biodiesel de Jatropha Curcas, en el apartado referente a las emisiones generadas por el uso de biodiesel como combustible, arroja los siguientes resultados:

 Efecto de la Potencia de Frenado en la Opacidad

La opacidad de los gases de escape, aumenta con la carga a la cual fue sometido el motor para todas las mezclas de biodiesel. Por otra parte, la opacidad se incrementa de manera proporcional a la concentración de aceite de jatropha empleada en las mezclas. Para el diésel convencional, la opacidad obtenida en las pruebas realizadas fue de 26.2 % a la carga máxima, mientras que la opacidad medida para las diferentes mezclas varía desde 27.9 % hasta 35.7 % con la carga máxima.

Figura 15. Variación de la Opacidad con respecto a la Potencia de Frenado.

Fuente: Elango et. Al., [41] 2011

De acuerdo con los investigadores, esto se debe al problema de atomización y combustión debido a la alta viscosidad de la mezcla empleada como combustible,

 Emisiones de CO2

Con respecto al CO2 se obtuvo el resultado esperado, teniendo en cuenta otras publicaciones

revisadas en este documento, las emisiones de CO2 generadas durante la utilización de mezclas de

biocombustibles, fueron siempre menores que las emisiones de CO2 generadas por el diésel

convencional, además entre mayor nivel de biodiesel en la mezcla, menor fue la emisión de CO2 para

Figura 16. Variación de las emisiones de CO2 con respecto a la Potencia de Frenado.

Fuente: Elango et. Al., [41] 2011

 Emisiones de NOx

Las emisiones de NOx, se incrementaron al emplear diferentes mezclas bajo todas las cargas empleadas, en comparación con el diésel convencional, como se presenta a continuación:

Figura 17. Variación de las emisiones de NOx con respecto a la Potencia de Frenado.

 Emisiones de CO

La variación de las emisiones de CO fue menor para todas las mezclas de biocombustibles, en comparación con el diésel de petróleo para todas las cargas, además, a medida que se incrementa la proporción de aceite de jatropha en la mezcla, el porcentaje de emisión de CO disminuye aún más.

Figura 18. Variación de las emisiones de CO con respecto a la Potencia de Frenado.

Fuente: Elango et. Al., [41] 2011

 Emisiones de HC

Si bien se aprecia una disminución en las emisiones de hidrocarburos con relación al uso de diésel convencional frente a la potencia de frenado, una vez se incrementa la carga (3 y 4) dichas emisiones se vuelven a incrementar.

Este comportamiento también se presenta con el uso de mezclas diésel – biodiesel aunque en todo momento las emisiones de HC son inferiores a las que se obtuvieron con el diésel de petróleo.

Figura 19. Variación de las emisiones de HC con respecto a la Potencia de Frenado.

Fuente: Elango et. Al., [41] 2011

A manera de resumen Elango et. Al. [41] con respecto a las emisiones generadas por el uso de biodiesel, afirman que la opacidad aumenta con respecto a la opacidad arrojada por el diésel, pero las mezclas por encima del 20% reducen sustancialmente las emisiones de CO2.

Posteriormente Hoekman y Robbins [7] realizaron una revisión de los efectos del uso de biodiesel en las emisiones de NOx, en la cual reconocen ampliamente el efecto benéfico del uso de biodiesel en las emisiones de HC, CO y Material Particulado (diminución en su formación), pero reconocen el incremento en las emisiones de NOx.

Figura 20. Porcentaje de Variación en las Emisiones con respecto al Porcentaje de Biodiesel empleado como combustible.

Teniendo esto en cuenta, se realiza un estudio con el fin de sustituir o complementar el estudio propuesto por la EPA (evaluado también por Lapuerta como se mostró anteriormente), ya que debido a los cambios tecnológicos en la configuración de los motores diésel, los autores consideran que algunos modelos de motor, deben considerarse como obsoletos.

Por esta razón emplean un dinamómetro para realizar las pruebas a un motor de tipo pesado (HD) Cummins 2006 ISB, para investigar los efectos generados en el NOx a raíz del uso de diferentes mezclas de biodiesel en siete ciclos de motor diferentes. Los resultados obtenidos son muy similares a los expuestos anteriormente. Con el fin de complementar el estudio realizado por la EPA, los autores proponen dos tipos de estrategias para la mitigación de las emisiones de NOx, la primera estrategia está asociada a la modificación de los motores con diferentes objetivos, el primero de ellos es retardar la inyección de combustible ya que esto disminuye la cantidad de pre mezcla que se quema, lo cual reduce la temperatura de los cilindros, además de que esta modificación permite alcanzar el torque máximo que otorga el motor.

La segunda modificación que se propone en esta investigación es la implementación de sistemas de postcombustión del tipo EGR ya que al igual que en el caso anterior el efecto generado por este tipo de sistemas es la reducción en la temperatura de los cilindros, esto debido a la introducción de un gas diluyente de un alto calor específico, además la introducción del sistema EGR reduce el contenido de oxígeno en el cilindro.

Hoekman y Robbins [7] insisten que la mejor manera para reducir las emisiones de NOx es emplear estas dos modificaciones de manera simultánea empleando un sistema que permita maximizar el beneficio general. En los últimos años se han implementado sistemas que hacen uso de la recirculación de gases de escape (EGR) generando combustión a baja temperatura (LTC o Lower

Temperature Combustion), la cual aprovecha este tipo de modificaciones en el motor para disminuir

la emisión de NOx, sin embargo, bajo ciertas condiciones el uso de sistemas LTC generan un aumento en la emisión de HC y CO.

La otra estrategia mencionada por estos investigadores consiste en modificar el combustible mediante la adición de otros compuestos, como aminas, combustibles con hidrocarburos aromáticos por debajo de los 10 %, compuestos para mejorar el índice de cetano, aditivos antioxidantes como la terbutil- hidroquinona. Sin embargo, como se puede apreciar, las posibilidades en este campo son bastante amplias y por consiguiente requieren investigaciones más profundas

En el año 2013 Silitonga et al. [44], realizaron un estudio empleando biodiesel obtenido a partir de

 Óxidos de Nitrógeno (NOx)

En esta ocasión el análisis realizado fue en base a las revoluciones por minuto del motor evaluado (RPM) a máxima carga y empleando diferentes concentraciones de biodiesel en la mezcla combustible.

Los resultados obtenidos en este aspecto son similares a los presentados anteriormente en este documento, indicando que las emisiones de NOx para todas las mezclas de biodiesel empleadas fueron superiores a las emisiones generadas por el diesel convencional. Sin embargo, como se puede apreciar en la siguiente figura, alrededor de 1900 rpm se ve un aumento en las emisiones de NOx que no se había presentado anteriormente. De acuerdo con los autores esto se debe a que el biodiesel de ceiba presenta un enriquecimiento de oxígeno.

Figura 21. Variación de las emisiones de NOx con respecto a la velocidad del motor y al combustible empleado.

Fuente: Silitonga et. Al., [44] 2013

Específicamente los resultados obtenidos corresponden a un incremento promedio del 16.56 % comparado con el diésel de petróleo. Las emisiones de biodiesel del 50 % (CPB50) son las mayores con 188.36 ppm, seguidas de las emisiones generadas por biodiesel del 30 % con 178.86 ppm, CPB20con 175.13 ppm, biodiesel del 10 % con 172.26 ppm y finalmente el diésel común con 128.22 ppm a 2400 rpm.

 Hidrocarburos (HC)

Al igual que en el caso anterior, los resultados obtenidos fueron muy similares a los que han presentado otros investigadores. Las emisiones de HC fueron menores para todas las mezclas en comparación con el diésel convencional. Específicamente las emisiones de HC para CPB10, CPB20, CPB30 y CPB50 fueron 18.03 ppm, 16.16 ppm, 14.43 ppm y 11.70 ppm respectivamente, a continuación se presenta el comportamiento encontrado:

Figura 22. Variación de las emisiones de HC con respecto a la velocidad del motor y al combustible empleado.

Fuente: Silitonga et. Al., [44] 2013

 Emisiones de CO

Con respecto a las emisiones de CO, en este estudio se obtuvieron los siguientes resultados: La emisión más baja que se encontró fue la del CPB10 (0.0734%) seguida por el diésel convencional (0.0804%). Por otra parte la emisión más alta se observó para el CPB 50(0.1739 %) y en el CPB30 (0.1710%) y el CPB20 (0.1646%) a 1300 rpm.

La explicación propuesta por los investigadores fue la mayor viscosidad de las mezclas de biodiesel, ya que esto genera problemas de atomización y mezclas menos homogéneas y una distribución poco uniforme en el interior de la cámara de combustión.