ANÁLISIS COMPARATIVO DE EMISIONES DE CO₂ DE UN MOTOR EMPLEANDO DIÉSEL Y BIODIÉSEL

COMPARATIVE ANALYSIS OF CO₂ EMISSIONS OF AN ENGINE USING DIESEL AND BIODIESEL

Revista de Investigación Agraria y Ambiental

Universidad Nacional Abierta y a Distancia, Colombia

ISSN: 2145-6097

ISSN-e: 2145-6453

Periodicidad: Semestral

vol. 12, núm. 2, 2021

riaa@unad.edu.co

Recepción: 27 Febrero 2020

Aprobación: 25 Junio 2020

Publicación: 02 Junio 2021

URL: http://portal.amelica.org/ameli/jatsRepo/130/1302302010/index.html

DOI: https://doi.org/10.22490/21456453.3603

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CÓMO CITAR: Ramírez-Velasco, C., Pérez, D., Pereira, R., y Bolaños-Alomía, F. (2021). Análisis comparativo de emisiones de CO₂ de un motor empleando diésel y biodiésel. Revista de Investigación Agraria y Ambiental, 12(2), 127 – 145. DOI: https://doi.org/10.22490/21456453.3603

Las partículas suspendidas en el aire son peligrosas para la salud. Las de diámetro inferior a 10 μm penetran en el sistema respiratorio y están relacionadas con el uso de combustibles fósiles; las de diámetro inferior a 2,5 μm penetran en el torrente sanguíneo (Lau, 2017).

Las reacciones químicas en la atmósfera generan N₂O, CO₂, SO₂, NH₃ y otros gases de efecto invernadero (GEI) (Brusca, 2016). Las emisiones de la combustión de diésel pueden causar cáncer y otras enfermedades, usando biodiésel B100 se elimina hasta el 90% de compuestos tóxicos presentes en el aire (Tyson, 2016).

Diversas investigaciones relacionadas con el cambio climático mencionan datos similares respecto a la concentración del dióxido de carbono en el aire. En el año 1950 la concentración de CO₂ se estimó en 275 ppm; en el 2000, en 365 ppm; y en el 2012, en 393 ppm (Castillo, 2005).

De acuerdo con el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC), el punto crítico se encuentra en 450 ppm (Uptown, 2014). En los últimos 650.000 años, la carga de CO₂ nunca sobrepasó las 300 ppm, había oscilado entre 180 ppm, en periodos glaciares, y 290 ppm, en fases de calentamiento (Ramos, 2008).

Estos datos constituyen un llamado a minimizar los Gases Efecto Invernadero, razones que impulsan la necesidad de medir la emisión de CO₂ provenientes de actividades actuales respecto de alternativas energéticas medioambientales amigables y sustentables.

Adicionalmente, Colombia tendrá en el 2020 aproximadamente 3,5 millones de vehículos (Dinero, 2014). Hasta agosto del año 2017 tuvo un promedio de ventas mensuales de diésel de 127 mil Barriles Día Calendario (KBDC) (Ecopetrol, 2017).

Colombia proyecta emitir en el año 2020 cerca de 29 millones de toneladas de CO2 provenientes del sector transporte, 33 millones de toneladas para 2024, 37 millones de toneladas para 2030 y 46 millones de toneladas de CO₂ para 2040 (Departamento Nacional de Planeacion - DNP, Banco Mundial, 2014).

Dentro de este panorama, se considera necesario cuantificar y evaluar las emisiones de CO₂; para esto, se realizó el presente experimento en la ciudad de Pasto, Nariño, cuyos objetivos se centraron en medir el CO₂ emitido por la combustión del diésel comercial B10, empleado en el motor de una planta eléctrica; hacer lo mismo empleando biodiésel B100; analizar y comparar las emisiones de la combustión de los dos combustibles B10 y B100, para determinar cuál es menos contaminante.

Materiales: se seleccionó una planta eléctrica ajustada a la siguiente caracterización: referencia planta diésel GPMD marca Power, generación 2,5kW, con motor de compresión, fuerza 7HP, capacidad del tanque dos galones, velocidad fija para el experimento en 7.000 revoluciones/minuto, un solo eje, un cilindro, diámetro del cilindro 50 mm, carrera cilindro 100 mm y alimentación de combustible con inyección directa (Mantilla 2010).

Como equipo de medición de flujo másico del aire de admisión, se seleccionó un anemómetro de precisión con puerto de conexión PEC 007 con unidades de medida en m/s.

Se conectó una manguera flexible de igual diámetro del medidor del anemómetro al sistema de admisión de aire del motor (Figura 1), de esta manera se midió la cantidad de metros/segundo de aire que ingresa, los cuales fueron convertidos a kg de aire.

Figura 1.
Motor con manguera de admisión de aire adaptada.
Fuente: Autores

Se fijó un embudo a un soporte metálico, y al cuello del embudo se ensambló una manguera que conecta directamente con el sistema de admisión de combustible del motor (Figura 2). En el cuello del embudo se colocó una marca con cinta (Figura 3) para determinar el momento justo en el que se debía accionar un cronómetro digital, el cual contabilizó el tiempo de duración de cada combustible empleado. El cronómetro se accionaba al paso del combustible por la marca, en los momentos inicial y final del consumo, con el motor en funcionamiento.

Figura 2.
Adaptación manguera de admisión de combustible.
Fuente: Autores

Figura 3.
Embudo para control de combustible.
Fuente: Autores

Se instaló una balanza electrónica, digital, portátil, de batería, con unidad de medición en gramos, tres dígitos y dos decimales, marca Kenwell, referencia EK5055, en ella se pesaron 100 gramos de combustible en cada corrida del experimento.

Se empleó biodiésel B100 de una empresa fabricante autorizada, ubicada en Meta, Colombia. Se empleó diésel comercial B10 de una empresa mezcladora de Cundinamarca. Las empresas y sus productos cumplen con las normas de calidad Norma Técnica Colombiana - NTC ISO Internacionales 5444/2018 sobre especificaciones de biodiésel para uso en motores diésel (Icontec, 2018).

Las empresas mezcladora y fabricante, con cromatografía de gases, indicaron que cada mol de B10 contiene 53,54% C, 46,12% H y 0,34%; y cada mol de B100 contiene 32,84% C, 63,52% H y 3,64% O. Por razones de confidencialidad, no es posible revelar el nombre de estas entidades.

La demanda de 0,5 kW fue cubierta con cinco bombillos marca Sylvania de 100 W cada uno, conectados en paralelo (Figura 4).

De igual manera, para absorber la demanda de 1 kW, se puso en funcionamiento una resistencia de la estufa eléctrica marca Sonivox de referencia VS-ES991, y para absorber la demanda de 1,5Kw se pusieron en funcionamien juntos una resistencia de la estufa y los cinco bombillos, como indica la figura 4, correspondiente al experimento propuesto.

Figura 4.
Experimento propuesto.
Fuente: Modificado UYUSTOOLS (2020), LINIO (2020), IMEDICIÓN (2020), MUNDO BÁSCULAS (2020), BIASE (2020), QUERCUSLAB (2020) y VINTEX (2020).

Se utilizaron datos de la humedad relativa RH%, presión atmosférica y temperatura de la ciudad de Pasto, proporcionados en tiempo real en su página web, por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM Colombia.

Métodos: se sometió una planta eléctrica de 2,5 kW al uso independiente de dos combustibles y a diferentes generaciones de potencia (Simmons, 2015). En cada tratamiento se efectuaron cuatro corridas. En estado de purga, se efectuó cada corrida con cada combustible, comenzando con 0,5kW y aumentando paulatinamente hasta 1,5kW, como se muestra en la Figura 5, que recrea el experimento propuesto.

Figura 5.
Corrida con generación de 0,5 kW.
Fuente: Autores

Se obtuvieron 24 observaciones de fracción molar, cada observación se multiplicó respectivamente, por la suma de los volúmenes del combustible y del aire de admisión, el resultado corresponde al CO₂ emitido en volumen.

Para lograrlo, se contabilizó el tiempo en el que se consumió el combustible. Este tiempo se multiplicó por el caudal de aire (m³/s), para determinar el volumen y la masa de aire mA real admitida en cada observación; además, se hicieron las conversiones de unidades necesarias. En cada observación, dada la escala de medición del anemómetro, el caudal se obtuvo de la velocidad promedio del aire que ingresó al motor (m/s) multiplicado por el área de la manguera de admisión de aire. La mA se requirió para desarrollar las fórmulas 4 y 6.

Posteriormente, se desarrolló la secuencia explicada en el cuadro 1.

Cuadro 1.
Procedimiento analítico realizado.

Fuente: adaptado de Fonseca (2012). Medición dinámica de emisiones. Fórmulas páginas 96 a 120.

En la Tabla 1 se muestra un ejemplo de los datos primitivos que arrojó el experimento, obtenidos durante la observación de la primera corrida con B10 y 0,5 kW, necesarios para el desarrollo del procedimiento indicado en el cuadro 1.

Tabla 1.
Datos aleatorios de velocidad del aire de admisión para una observación.

Fuente: Autores, observación de la primera corrida del experimento con B10 y 0,5 kW.

Análisis estadístico

Como soporte estadístico a los resultados, se presentan las principales tablas que arroja el software Statgraphics, dentro del análisis ANOVA de efectos fijos para la fracción molar (Montgómery, 2004). Para verificar la normalidad de los datos de fracción molar se efectuó la prueba de Shapiro-Wilks donde se consideraron la hipótesis nula y alternativa como:

Ho: X~N(μ,σ²), la distribución es normal.

H1: X~N(μ,σ²), la distribución no es normal.

Se obtuvo un p > 0,05, por lo tanto, se aceptó la hipótesis nula Ho, comprobando que las muestras de fracción molar son normales, tanto con el uso de diésel como de biodiésel. Adicionalmente, de acuerdo con el test de Levene, se expusieron las siguientes hipótesis:

Ho: σ²_B100 = σ²_B10, varianzas iguales.

H1: σ²_B100 ≠ σ²_B10, varianzas diferentes.

Como se obtuvo un p > 0,05, se aceptó la hipótesis nula Ho, por lo tanto, se observó que las varianzas son iguales y existe el supuesto de homocedasticidad.

Comprobar estas pruebas permitió desarrollar el procedimiento para la diferenciación de medias.

En la Tabla 2, se muestran: la media de fracción molar de CO2 para cada uno de los niveles de los factores; y los errores estándar de cada media, que son una medida de la variabilidad en el muestreo. Las dos columnas de la extrema derecha muestran intervalos de confianza del 95,0% para cada una de las medias. Esta tabla indica que la fracción molar es mayor con uso de B10 y generando mayor potencia (1,5 kW); además el error estadístico es menor analizando el B100 y la menor potencia 0,5 kW.

Tabla 2.
Medias por mínimos Cuadrados para fracción molar CO₂ confianza del 95,0%.

Fuente: Autores

Adicionalmente, la prueba de múltiples rangos para fracción molar de CO₂ por combustible indica diferencias significativas entre combustibles y entre potencias, como se muestra en las tablas 3 y 4. Con una confiabilidad del 95%, es significativamente mayor la fracción molar del biodiésel B10, respecto del diésel B100, puesto que no conforman grupos homogéneos.

Tabla 3.
Método: 95,0% LSD para fracción molar CO₂ por combustible.

Fuente: Autores, resultados software Statgraphics

Tabla 4.
Pruebas de múltiples rangos para fracción molar CO₂ por combustible.

Fuente: Autores, resultados software Statgraphics * Indica diferencia significativa con 95% confiabilidad.

El análisis estadístico efectuado en el software Statgraphics, aplica un procedimiento de comparación múltiple para determinar cuáles medias son significativamente diferentes de otras.

Se han identificado tres grupos no homogéneos según la alineación de las X en columnas; existen diferencias estadísticamente significativas entre los niveles que no comparten una misma columna de X.

El método empleado actualmente para discriminar entre las medias es el procedimiento de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher (Fisher, 1935). Con este método hay un riesgo del 5,0% al afirmar que cada par de medias es significativamente diferente. Así, con una confiabilidad del 95% se asegura que la fracción molar es mayor al generar mayor potencia (tablas 5 y 6).

Tabla 5.
Método: 95,0% LSD para Fracción molar CO₂ por Potencia (kW).

Fuente: Autores, resultados software Statgraphics.

Tabla 6.
Pruebas de Múltiple Rangos para Fracción molar CO₂ por Potencia (kW).

Fuente: Autores, resultados software Statgraphics * Indica una diferencia significativa, con 95% de confiabilidad.

Resultados

La Tabla 7, presenta datos atmosféricos y resultados para cada combinación: relación relativa aire/combustible λ, fracción molar, trabajo realizado, FE de CO₂, y kg de CO₂ emitidos en ml, g y ppm. La dispersión por código de nivel permite confirmar la hipótesis: “el factor de emisión de CO₂ es menor usando B100 comparado con B10”.

También se observa que el factor de emisión de B10 obtenido en el experimento es diferente al factor de emisión propuesto por el grupo intergubernamental de expertos sobre cambio climático - IPCC, expresado en kg/TJ y equivalente al contenido de carbono multiplicado por 44/12 (Davies, et al , 2006), valor que se torna en una constante dentro de cada tratamiento: 1,96 para B10 y 1,31 para B100.

De acuerdo con los resultados de la relación aire/combustible λ, puede afirmarse que los dos combustibles tienen combustión completa con la generación de 1 kW o menos (tabla 7), lo que indica que, a mayor trabajo realizado, la combustión es cada vez más incompleta, y esto aporta al incremento porcentual de emisiones de CO₂ y otros gases.

También puede inferirse que, a medida que aumenta la demanda de potencia, incrementa el factor de emisión o fracción molar de CO₂.

Tabla 7.
Datos y resultados para relación relativa y fracción molar o FE calculado.

Fuente: Autores. Datos obtenidos del experimento y de cálculos de la presente investigación.

Con respecto a la fracción Molar, en cada tratamiento se observa que, al generar mayor potencia, la fracción molar del CO₂ el cual tiende a es mayor (ver Figura 6).

Figura 6.
Fracción molar con tres potencias generadas y dos combustibles empleados.
Fuente: Autores. Nota: B100 representa el biodiésel 100% y B10 el diésel comercial.

También se observa que, en el caso de diésel comercial B10, la cuarta corrida generó más emisiones, no necesariamente por fatiga del motor, dado que en el caso de B100 la primera corrida generó mayor cantidad de CO₂. Cabe aclarar que, al generar mayor potencia, hay mayor emisión de CO₂ revisando la (Figura 7), lo cual se explica porque, al generar más potencia, el motor consume mayor cantidad de diésel y, por consiguiente, emite mayor cantidad de CO₂.

Con el uso de B100 se emitió mayor cantidad de CO₂ en la primera corrida de la mayor potencia generada. Con potencias de 0,5 kW y 1,0 kW, en la tercera corrida, se emitió menor cantidad de CO₂(Figura 8). Esto indica que la leve diferencia de emisión entre corridas, en milésimas de gramo de CO₂, puede deberse a variaciones imperceptibles en la preparación de cada corrida.

Figura 7.
Comparación emisión de CO₂ entre corridas con B10.
Fuente: Autores, resultados del experimento obtenidos en Statgraphics.

Figura 8.
Comparación de emisión de CO₂ entre corridas con B100.
Fuente: Autores. Resultados del experimento obtenidos en Statgraphics.

La fracción molar explica el trabajo realizado en el 96% y 81%, Con B10 y B100, respectivamente (ver Figura 9).

Figura 9.
Influencia del Trabajo realizado sobre la Fracción molar.
Fuente: Autores. Resultados del experimento obtenidos en Excel.

En igual volumen, si se utilizan los combustibles B10 y B100 independientemente en el mismo motor, se consumen en el mismo tiempo, siempre y cuando funcionen en las mismas condiciones ambientales y sean sometidos al mismo trabajo.

La temperatura ambiente, la humedad relativa y la presión atmosférica, inciden en forma incipiente en la emisión de CO2 generada por combustión de diésel o biodiésel, pues la fracción molar varió entre las diferentes repeticiones, en cantidades pequeñas contadas en centésimas.

Discusión

Por una parte, las diferencias en las estimaciones de CO2 de Gutiérrez (2016), 2,6 kg/l; IPCC 20.200 g/GJ (IPCC, 2011); Orovio, 28 g/l km (Orovio, 2010); y de la presente investigación, 4,15 g/l con B10. Al aplicar el FE de IPCC metodología nivel dos (Harnisch, 2006), las emisiones presentan valores bajos, comparadas con resultados del experimento.

El FE de EPA-USA es de 1,15, multiplicado por lb de diésel empleado en cada HP-h (EPA, 2010). Así, al generar los siete caballos de fuerza del motor, durante 12,6 min promedio, con 100 g de diésel, se emiten 1,298 g de CO₂: el triple del promedio de emisión obtenido, 0,361 g de CO₂. Esta es la metodología con resultados más parecidos a los de este experimento.

Por otra parte, respecto al beneficio ambiental de B100 sobre B10, UpTown Oil de París, cree que sustituir diésel por B100 obtenido de aceite usado de cocina ACU, ahorra 80% emisiones de CO₂ (Uptown, 2014), al contrario, Ulusoy, como cita Enweremaduen, explica que incrementa en 2,6% (Enweremadu y Rutto, 2010).

El Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE), afirma que el B100 producido con soya emite 2.661 g CO₂/gal y el diésel 12.360 g CO₂/gal (DOE, 2014).

Dorado, et al (2003) explican que el B100 emite 8,6% menos de CO2. En Washington se observó que, en un motor a 3.000 rpm hubo una disminución de CO₂ del 10% usando B100 (Zafer et al., 2007), además la mayor concentración de CO₂ se presentó en la mezcla B50 en cualquier rpm (Chang & Chan, 2007). El presente experimento obtuvo un ahorro de entre 2% y 8% de emisiones CO₂ usando B100 a cambio de B10.

En producción, transporte y comercialización, B10 y B100, emiten similares cantidades de CO₂; sin embargo, las plantaciones para obtener aceite como materia prima de B100 consumen cantidades considerables de CO₂ (Acosta, 2018).

Además de la reducción de hasta el 8% las emisiones de CO₂ en gases de escape, se reducen las emisiones de este gas en todo el proceso de obtención del B100.

Finalmente, acerca de la responsabilidad social, es necesario que las empresas de transporte con diésel sustituyan paulatinamente B10 por B100, debido al ahorro porcentual de emisión, en las condiciones actuales, aunque el consumo de B100 sea menor al generar el mismo trabajo, el costo de un galón de biodiésel es de pesos colombianos 11.515,16 mientras que el costo del B10 es de 8.388 pesos colombianos por galón (FEDEBIOCOMBUSTIBLES, 2020).

La fracción molar o factor de emisión, y la emisión de CO₂ son significativamente menores cuando el combustible, sea B10 o B100, tiene presencia de oxígeno, y mayor proporción de hidrógeno que de carbono. Por lo tanto, se reduciría la emisión de CO₂ si las empresas productoras y mezcladoras de combustibles apuntan sus metas al alcance de estas proporciones.

En la presente investigación el uso de diésel B10 presenta una mayor emisión de CO₂ respecto del uso del biodiésel B100, debido a la composición molecular de los combustibles.

Las emisiones globales de CO₂, provenientes de la combustión de biodiésel en motores de compresión y automotores diésel, se reducirían si se sustituyera todo el combustible B0 a B10 por combustible B100, a esta reducción se sumará la minimización lograda en el proceso de obtención de biodiésel en sustitución del proceso de obtención de combustible fósil.

Teniendo en cuenta que esta sustitución aportará a las metas del protocolo de Kioto y la Cumbre de París, y ante a la creciente demanda de biodiésel, la implementación y desarrollo de empresas procesadoras de biocombustibles constituye una alternativa óptima. Además, si el B100 se obtiene de biomasa reciclada, se tendrán beneficios ambientales, económicos y sociales de alto impacto.

El IPCC debe incluir en su metodología el proceso analítico para la determinación del factor de emisión, dado que actualmente solo entrega valores preestablecidos para multiplicarlos por el consumo de combustible, lo cual no genera confiabilidad en la medición de emisiones de CO₂.

Independientemente de la escala de medición de emisiones de CO₂, es importante lograr mezclas con menor cantidad de carbonos, aunque incremente el contenido de hidrógeno y oxígeno. Por lo tanto, se debe incentivar el uso de biocombustibles que tienden a mezcla tipo B100.

Por su parte, el motor empleado se debe utilizar para generar potencias iguales o menores de 1 kW, para generar combustión completa y minimizar las emisiones de CO₂ y otros gases.

Aunque las empresas de transporte tengan la voluntad de emplear combustible B100 para minimizar la emisión de CO₂, actualmente dicho el costo no permite adoptar esta política ambiental por efectos negativos en la economía de las empresas, a no ser que, por implementar esta medida ambiental, se incursione en el sistema de bonos de carbono, lo cual, posiblemente produciría utilidad. No obstante, este análisis debe ser objeto de futuras investigaciones.

CÓMO CITAR: Ramírez-Velasco, C., Pérez, D., Pereira, R., y Bolaños-Alomía, F. (2021). Análisis comparativo de emisiones de CO₂ de un motor empleando diésel y biodiésel. Revista de Investigación Agraria y Ambiental, 12(2), 127 – 145. DOI: https://doi.org/10.22490/21456453.3603

CONTRIBUCIÓN DE LA AUTORÍA: Cada autor contribuyó de acuerdo con su asignación, así: Primer autor: metodología, investigación, trabajo de campo, análisis de datos, conceptualización, escritura del borrador y original. Segundo autor: investigación, conceptualización, análisis de datos, revisión y edición. Tercer autor: metodología, investigación, trabajo de campo. Cuarto autor: adquisición de recursos, análisis de datos y revisión.

CONFLICTO DE INTERESES: Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

https://hemeroteca.unad.edu.co/index.php/riaa/article/view/3603 (html)

https://hemeroteca.unad.edu.co/index.php/riaa/article/view/3603/4497 (pdf)

Los autores agradecen el aporte del proyecto “Aspectos de la medición dinámica instantánea de emisiones de motores”, cuya autora, propuso caminos para el diseño de la presente investigación, en la parte metodológica y conceptual (Fonseca, 2012). También se agradece el aporte académico y financiero de la Universidad Cooperativa de Colombia.