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Introducción
En el futuro los productos del petróleo serán escasos y costosos, y si se tiene en cuenta la contaminación que estos generan, representan una amenaza para el medio ambiente. Para superar esto, se buscan combustibles alternativos [1]. La biomasa proporciona aproximadamente el 13% del suministro mundial de energía primaria y más del 75% de la energía renovable mundial. De hecho, se estima que la bioenergía podría contribuir con entre 25 y 33% del suministro mundial de energía para el 2050 [2]. Los biocombustibles no son de ninguna manera una tecnología emergente: a finales del siglo XIX ya se usaban lámparas de etanol [3]; posteriormente, los vehículos que solo tenían como combustible etanol eran muy populares en la década de 1980, pero se volvieron económicamente imprácticos cuando los precios del petróleo cayeron y los precios del azúcar aumentaron a finales de esa década [4]. Entre los alcoholes más estudiados se encuentran etanol, butanol, metanol, aceite de fusel y los ésteres MTBE (éter metil tert-butílico) y DME (dimetil éter) aplicados como combustible en los motores [5]. Las mezclas alcohol-diésel pueden ser una solución prometedora como combustibles más limpios, debido a que pueden mejorar la combustión y generar temperaturas más bajas en el motor [6]. Otros autores recomiendan la adición de H2 (hidrógeno) a la mezcla de alcoholes [7]; también se han definido algunas mezclas como la del diésel-biodiésel-etanol con un nuevo término: diesterol [8].
En este estudio se presenta un análisis sobre las alternativas que existen para mejorar las características del alcohol, y con esto hacerlo más atractivo como biocombustible, por lo que se analizan las propiedades y el rendimiento de los alcoholes superiores y los alcoholes inferiores de cadena corta, y también se analiza la posibilidad de realizar mezclas con diferentes sustancias tratando de encontrar la mezcla óptima.
Propiedades físico-químicas de alcoholes y éteres
Aunque existen numerosas tecnologías de conversión, las propiedades de los combustibles varían significativamente. Incluso cuando se utiliza la misma materia prima [9], la variación de la composición química, tal como la longitud de la cadena de carbono y el grado de saturación/insaturación, cambia las propiedades físico-químicas del combustible [10]. El alcohol tiene una estabilidad a la oxidación superior y fluidez a baja temperatura en comparación con el biodiésel. Por lo tanto, los alcoholes tienen mejores características de manejo de combustible para el uso del motor en comparación con el biodiésel [11]. Desafortunadamente, también los alcoholes tienen sus desventajas fisicoquímicas; estas se presentan en la Tabla 1.
Alcoholes inferiores de cadena corta
Los alcoholes inferiores más representativos y usados son el metanol y el etanol [15]. Los alcoholes de cadena corta en el motor diésel tienen propiedades pobres, tales como el índice de cetano inferior, valor calorífico y viscosidad cinemática [16]; también han demostrado baja miscibilidad y realizan separaciones de fases después de cierto tiempo [17]. El etanol es de difícil autoignición y no genera liberación de calor a baja temperatura [18]; además tiene poca o nula liberación de calor a temperatura intermedia, y con la presencia de agua el etanol es más difícil de iniciar [19]. El etanol puede reducir la temperatura del gas en el cilindro y proporciona una zona de enfriamiento más grande, lo que lleva a una mayor emisión de CO (monóxido de carbono) [20]. Debido a la capacidad de generar combustión completa (Figura 1), el bioetanol tiene el potencial de aumentar la eficiencia de combustión [21] y con esto reducir la emisión de HC (hidrocarburos no quemados) [20]. El etanol tiene un alto calor de vaporización; por lo tanto, reduce la temperatura máxima dentro del cilindro y esto hace reducir los NOx (óxidos de nitrógeno), lo que aumenta la potencia del motor [7]. El metanol tiene un alto número de octanaje, alta velocidad laminar de la llama, amplio límite de inflamabilidad y alto calor latente de vaporización [22]. El metanol es tóxico, líquido, sin sabor, incoloro y generalmente se conoce como alcohol de madera. Su estructura química simple puede conducir a menores emisiones y una mejor combustión [13].
Alcoholes superiores de cadena larga
Recientemente, los investigadores han demostrado mayor interés en los alcoholes de cadena larga, ya que tienen mejores propiedades físico-químicas que los alcoholes de cadena corta [17]. A medida que aumenta el número de carbonos en la estructura química de los alcoholes, las propiedades básicas del combustible también mejoran; por ejemplo, la capacidad de disolverse, la baja polaridad y la naturaleza menos higroscópica hacen que la mezcla sea muy fácil con diésel y biodiésel; se evita así separación de fases [23] y se logra un menor retardo de encendido [24]. Además, tienen mayor valor calorífico, mayor volatilidad, menos problemas de ignición, solubilidad, mayor viscosidad, no presentan problemas de separación de fases y cuentan con mejores propiedades de flujo en frío. Además de una mejor estabilidad de mezcla y alta densidad, tiene también mejor lubricidad y menor riesgo de corrosión [25]. Por estas razones se sugieren los alcoholes altos en carbono para los motores diésel [26]. El uso del butanol tiene ventajas, ya que es el único combustible a base de alcohol que puede ser transportado fácilmente por las redes de tuberías de productos petroleros existentes, en lugar de transportarse únicamente en camiones con cisternas y vagones de ferrocarril [27]. En la Tabla 2 se muestran las ventajas del butanol.
Tabla 2 Ventajas del butanol sobre el etanol y el metanol.
| Ventaja del butanol | Beneficio | Referencia |
|---|---|---|
| Mejor miscibilidad con el combustible diésel | Mezcla con diésel | [28]-[32], [20] |
| Menor calor de evaporización | Menor pérdida | [28], [31], [20] |
| Mayor valor calorífico | Mejor combustión | [20], [21], [31] |
| No tiene separación de fases | Mejor mezcla | [32] |
| Menor consumo de combustible | Mejor combustión | [11] |
| Mejor estabilidad de mezcla | El sistema de inyección mejora y protege al motor | [11], [29], [30] |
| Genera menor temperatura de autoignición | Es más fácil de aplicar al motor | [11], [28] |
| Menor corrosión | Más durabilidad en las partes del motor | [29], [30], [33] |
| Mejor arranque del motor | Mejora arranque en climas fríos | [28] |
| No es higroscópico | No absorbe el agua | [32] |
| Tiene el doble de átomos de carbono que el etanol | Incrementa el valor calorífico | [33] |
| Tiene mayor densidad que el etanol | Reduce el consumo de combustible y mejora el rendimiento | [33] |
| Se pueden usar mezclas más magras | Reduce emisiones | [33] |
| Mejora la mezcla | Ofrece mejor rendimiento en el motor | [21] |
| Menos toxico y mejor solubilidad | Mejor uso en mezcla con diésel | [28] |
| Mayor viscosidad y lubricidad | Protege el motor y evita el desgaste | [28] |
El inconveniente de usar el butanol es que puede generar un incremento del BSFC (el consumo de combustible específico del freno), pero al mismo tiempo puede lograr disminuir las emisiones de CO, NOx y humo, pero con una reducción de BTE (eficiencia térmica del freno) y con un aumento de las emisiones de HC [34]. El butanol muestra una capacidad de reducción de hollín más evidente y ofrece una mayor eficiencia del combustible comparándolo con el biodiésel [35], [36]. Las mezclas de butanol/diésel no requieren cosolventes o agentes mezcladores, debido a su naturaleza menos hidrófila [37]. Por otro lado, el geraniol es un alcohol de orden superior que se obtiene a partir de la reacción con solución ácida y forma turpineol el cual ayuda a mejorar el rendimiento del motor [38]. Con esto se puede llegar a concluir que el alcohol superior sería un posible sustituto del biodiésel en un motor diésel [39]. Otros alcoholes superiores como el 1-pentanol y el n-octanol se presentan en las Tablas 3 y 4 respectivamente.
Tabla 3 Ventajas del pentanol sobre el metanol y el etanol.
| Ventaja | Beneficio | Referencia |
|---|---|---|
| Mejores propiedades de combustión | Mejora la combustión | [17], [35], [40] |
| Tiene baja polaridad y es hidrófilo | No muestra separación de fases | [17], [40], [41], [42] |
| Es miscible con diésel y aceite | Mejora la mezcla | [17, [25], [35], [40], [41], [42] |
| Mayor número de cetano | Mejor rendimiento | [25], [40], [41], [35], [42] |
| Mayor velocidad de la llama y viscosidad | Mayor valor calorífico | [25], [40], [41], [42] |
| Menor calor de evaporización y presión | Mejora la eficiencia | [25], [40], [35] |
| Menor riesgo de corrosión | Durabilidad | [25], [40], [41], [42] |
Tabla 4 Beneficios del octanol sobre los alcoholes de cadena corta y el biodiésel.
| Cualidad | Logro | Referencia |
|---|---|---|
| Altamente miscible al diésel | Mejor mezcla | [43] |
| Emisiones de humo ultrabajas | Reducción de humo | [44] |
| Mejores propiedades de flujo en frío | Punto de fluidez de 9 °C | [45] |
| Menos corrosivo que el resto de alcoholes | Naturaleza hidrofóbica | [46] |
| Tiene baja presión de vapor | Puede ser seguro en el traslado y almacenamiento | [46] |
| Alta tensión superficial y baja presión | Mejor pulverización | [44] |
| Cadena más larga y menos ramificada | Genera mayor densidad energética | [47] |
| Mayor número de cetanos, valor calorífico y la temperatura de autoignición | Propiedades similares al diésel | [39], [46] |
Características de los éteres como biocombustibles
El DEE (éter dietílico) tiene el potencial para hacer el suplemento de combustible más adecuado para los motores diésel, debido a su número de cetano y valor de calefacción, el cual es mayor en comparación con el etanol y el butanol y además es miscible con el combustible diésel y biodiésel [48]. El DEE en modo de combustible dual puede usarse como combustible piloto, y de esta forma se podrían usar como combustible primario algunos combustibles alternativos como el gas natural comprimido, gas licuado de petróleo y biogás [49], [50]. Aunque tiene menor valor calorífico en comparación con el diésel y el biodiésel, su menor viscosidad y densidad mejoran la calidad de atomización del combustible, lo que lleva a una mejor eficiencia de combustión [51]. El DEE es de naturaleza renovable y se puede producir fácilmente mediante el etanol a un precio aceptable [50]. El DME tiene muchas propiedades y se cree que es uno de los mejores combustibles alternativos en motores CI en el futuro, debido a su alto índice de cetano que es 55, en comparación con el diésel que es 40-53, tiene bajo ruido de combustión, alto nivel de eficiencia térmica, genera combustión sin hollín y con bajos niveles de NOx [52]. También tiene mayor contenido de oxígeno que los combustibles convencionales (aproximadamente 35%) y no tiene enlace directo carbono-carbono (C-C), por lo tanto, tiene reducciones de contaminantes tales como PM (la materia particulada) y HC [53]. Aun así, sufre de baja viscosidad y carece de buenas características de lubricación, por lo que el uso de aditivos de lubricidad como Lubrizol (539 N) o biodiésel puede mejorar la viscosidad y lubricidad del DME [53]. Por su menor valor de calentamiento (alrededor de 28,4 MJ/kg) requiere casi el doble de cantidad de combustible inyectado por ciclo para llegar a tener la misma potencia del motor [54]. Además, el bajo punto de ebullición del DME y su rápida evaporación requieren almacenarlo bajo presión constante para mantenerlo en fase líquida y así evitar su evaporación [55]. En la Figura 2 se hace un resumen de los alcoholes más representativos para los motores de combustión interna.
Mezclas en general con alcohol en motor diésel
En la mezcla de dos líquidos pueden tener diferentes propiedades químicas, por lo que pueden existir problemas de inestabilidad y separación durante el funcionamiento del motor; esta es la razón de agregar aditivos (cosolventes) y de esta manera superar el problema de separación de fases [56]. Los aditivos oxigenados pueden ayudar a encender el combustible más fácilmente y reducir la contaminación del escape del motor [57]. El hidroxitolueno butilado y el n-butanol son aditivos antioxidantes que con biodiésel o diésel ayudan a reducir las emisiones de NOx, esto es debido a que el aditivo antioxidante tiene la capacidad de apagar los radicales libres durante la fase de combustión [58]. Uno de los métodos probados para mejorar el rendimiento y reducir el NO y el humo es agregar alcoholes como metanol, etanol, n-butanol y n-petanol en mezclas de biodiésel o diésel [59]. En la Tabla 5 se muestra el desempeño del motor con mezclas de aceites con alcohol.
Tabla 5 Desempeño del motor aplicando mezclas de aceites con alcoholes.
| Emisión que reduce | Tipos de mezclas | Desempeño del motor | Referencia |
|---|---|---|---|
| NOx | 1-octanol con 5% de aceite de palma y 95% de diésel y adición de 2EHN | Combustión mejorada y mayor BTE | [60] |
| NOx, CO y humo | 1-octanol mezclado con diésel | Mejora el BTE pero con mayores emisiones de HC | [61] |
| CO y HC | Biodiésel con n-butanol y pentanol | Mejora el BTE y el BSFC, y se concluye que es mejor e pentanol que el n-butanol | [62] |
| CO y HC | 1-octanol (10%, 20% y 30%) mezclado con diésel | La adición de 1-octanol mejora el BTE, pero aumenta el NOx | [63] |
| NOx | Mezcla de DME con biodiésel | Reducción del retardo de encendido | [64] |
| NOx | 40% de diésel, 40% de biodiésel, 10% de aceite vegetal y 10% de propanol | Se tuvo el mayor BSFC y el menor NOx con un aumento de CO y HC | [65] |
| Varios | Biodiésel de aceite de girasol residual, diésel, n-pentanol y n-hexanol | La mezcla del n-hexanol con el biodiésel mejora los valores de BTE y BSFC | [66] |
| NOx | Residuos de aceite usado como biodiésel con propanol, n-butanol y pentanol | La mejor mezcla fue con pentanol | [23] |
| PM y hollín | Mezcla de DME con PODEn (polioximetilen dimetil ésteres) | Mejora la ignición y la calidad de pulverización; mejora el BTE, pero aumenta el NOx | [67] |
Raviteja et al. [68] estudiaron la mezcla de butanol enriquecido con hidrógeno y concluyeron que agregar hidrógeno reduce el consumo de combustible y además genera una disminución de emisiones. Diluir WPO (aceite de residuo de plástico) con alcohol, como etanol, metanol o butanol, tiene un beneficio adicional, ya que mejora significativamente las propiedades de almacenamiento y manejo de WPO [69]. Hellier et al. [70] investigaron el efecto de las cianobacterias para la obtención del geraniol en motor CI; los resultados mostraron que el uso de geraniol al 100% aumenta el retraso de ignición y aumenta el NO; sin embargo, si se mezcla con diésel reduce significativamente la emisión de NO, por lo que se llegó a la conclusión que el geraniol mejora su comportamiento de combustión con los aceites comestibles.
Propiedades del diesterol-BED
El bioetanol fue inicialmente considerado como un combustible alternativo para el motor SI debido a su mayor número de octanos; sin embargo, en los últimos años, el bioetanol ha surgido como un combustible que puede mezclarse con diésel y biodiésel utilizando aditivos adecuados [71]. El etanol no es soluble en diésel y solo puede combinarse por medio del biodiésel que actúa como un intermediario; de hecho, el biodiésel actúa como un dispersante de partículas de etanol en el motor, creando así una mezcla estable. El etanol y el biodiésel son combustibles oxigenados que ayudan a mejorar la combustión. El etanol tiene un alto valor calorífico y baja densidad en comparación con el diésel puro y el biodiésel. Por otro lado, el biodiésel posee un bajo nivel calorífico, por lo que se compensa [72]. El biodiésel-etanol-diésel (BED) es una mezcla de biocombustibles y diésel que tiene el valor energético cercano a los combustibles fósiles, ya que cuenta con excelentes propiedades en cuanto a su lubricación, densidad y viscosidad y se considera un combustible ecológico [73]. También se conoce la mezcla de diésel-biodiésel-etanol por un nuevo término: diesterol [8]. Esta mezcla (biodiésel-etanol-diésel) da como resultado una mayor velocidad de calor, mayor retraso de encendido y más corta duración de la combustión [20]. En la Tabla 6 se analiza el rendimiento del motor con diesterol.
El etanol tiene baja viscosidad y buenas propiedades de flujo en frío; el biodiésel se puede mezclar con etanol para disminuir su viscosidad y aumentar su volatilidad y mejorar sus propiedades de flujo en frío [77]. Además, el mayor contenido de oxígeno en el etanol puede reducir aún más la emisión de PM (la materia particulada) en comparación con el biodiésel [20]. Se puede observar en la Tabla 7 la relación de emisiones en el motor aplicando diesterol.
Tabla 7 Concentraciones de emisiones en el motor CI con el diesterol-BED en comparación con el diésel puro.
| Emisión que reduce | La causa de esto | Referencia |
|---|---|---|
| NOx | La mezcla reduce la emisión | [75] |
| CO, NOx y humo | Con la mezcla se logra la reducción | [20] |
| PM y NOx | Con la mezcla tiene mayor tasa de liberación de calor | [78] |
| NOx y humo | Tiene reducciones de emisiones y no sufre cambios en la eficiencia térmica | [20] |
| CO y NOx | En alta velocidad se reduce el NOx y tiene mayor eficiencia térmica | [79] |
| HC, CO y hollín | El etanol es un oxidante que reduce el BSFC | [74] |
| NOx | Esto se debe al alto calor latente de evaporización del etanol, que reduce la temperatura de combustión. | [80] |
La presencia del biodiésel en la mezcla de etanol y diésel hace aumentar el índice de cetano y mejora la calidad de autoignición de la mezcla de combustible en general; por otra parte, agregar etanol a la mezcla de biodiésel-diésel reduce la alta densidad y viscosidad del biodiésel, con lo cual se logran propiedades físicas y características de evaporación y de tamaño de gota más adecuadas en la mezcla del combustible [81], y además la mezcla diésel-biodiésel-etanol contiene un alto contenido de oxígeno que aumenta el rendimiento del motor y reduce las emisiones de escape [82]. La estabilidad, almacenamiento y transporte son los primeros inconvenientes de la mezcla diesterol, lo que dificulta su aplicación comercial; sin embargo, esto puede ser resuelto agregando iso-pentanol a la mezcla, lo cual la hace más estable y segura para su aplicación [83].
Mezclas de aceite con alcohol superior de cadena larga
La adición de bioalcoholes mejora la atomización del combustible, se logra así una mejor combustión y por lo tanto se reducen los depósitos de carbono que se pueden encontrar en el motor, como en los aros de pistón, paredes de cilindros, inyectores, etc [31]. El aceite de pirolisis de la madera y el n-butanol se pueden mezclar sin ninguna separación de gases, ya que el n-butanol puede servir como disolvente orgánico, el cual es capaz de disolver partículas sólidas existentes y suprimir la polimerización [69]. En la Tabla 8 se muestra el comportamiento del motor agregando mezclas de butanol con biodiésel.
Tabla 8 Rendimiento y emisiones de la mezcla de biodiésel con butanol.
| Emisiones que reducen | Forma de aplicar | La causa de esto | Referencia |
|---|---|---|---|
| Hollín y NOx | Se inyecta el butanol a mayor presión de inyección | La inyección a mayor presión es una técnica viable para reducir emisiones | [84] |
| NOx y humo | Se mezcla con aditivos | Se mezcla con aceite de cocina usado y tiene una mejora en la combustión | [85] |
| CO y humo | Mezcla homogénea biodiésel/butanol | Con la mezcla se genera un aumento en BSFC | [86] |
| PM | 29% de butanol | Con la adición del butanol mejoran las propiedades de combustión | [87] |
| PM | 20% de butanol | Se aumenta el BTE agregando butanol y se obtiene un buen rendimiento | [88] |
| NOx y humo | 10% de butanol y 90% de diésel/WPO | La mezcla de butanol mejora el rendimiento del motor y reduce emisiones | [89] |
De acuerdo con Lapuerta et al. [90], el taponamiento del filtro punto frío, punto de nube y punto de fluidez se reducen con el aumento del contenido del butanol en las mezclas de biodiésel-butanol [20]. Es posible utilizar hasta un 40% de butanol y un 45% de pentanol como componentes de mezcla con diésel para alimentar el combustible de los motores CI y en el caso de mezclas con biodiésel se puede lograr hasta un 20% de butanol y pentanol sin alteraciones en el motor CI [37]. Las mezclas de pentanol-biodiésel tienen viscosidades más bajas, mayor contenido de oxígeno y mayor calidad de ignición, lo que ayuda a lograr una mayor atomización y combustión; las mezclas de pentanol tienen mayor estabilidad de la mezcla y no muestran separación de fases [24]. Es posible reemplazar hasta el 60% del diésel con biocombustibles (30% de biodiésel más 30% de pentanol) utilizando una estrategia de doble inyección [37]. En la Tabla 9 se muestran el rendimiento y las emisiones aplicando la mezcla de biodiésel con n-pentanol.
Tabla 9 Rendimiento y emisiones aplicando una mezcla de biodiésel con n-pentanol
| Emisión que se reduce | Forma de aplicar | La causa de esto | Referencia |
|---|---|---|---|
| Humo | Se mezcló con varias condiciones de carga | La mezcla de aceites de cocina usados mejora el rendimiento, pero con aumento de HC | [91] |
| NOx | Se mezcló con un 20% de pentanol sin EGR | La mezcla de aceite de cocina de desecho y pentanol resulta en una mejor eficiencia de combustión | [92] |
| PM | Se mezcló homogéneamente pentanol con diésel | Con la mezcla se reducen las emisiones | [93] |
| NOx, HC y CO | Se compararon las mezclas pentanol/ biodiésel y pentanol/ diésel | Se redujo el BTE en la mezcla pentanol/ biodiésel | [94] |
Aplicación de bioalcohol como combustible piloto utilizando biogás como combustible principal
En un motor de doble combustible con biogás como combustible principal, el biogás se puede depositar en el cilindro de combustión a través de un puerto de admisión con aire, mientras que el alcohol servirá como la fuente de ignición, el cual se inyecta directamente en la combustión del cilindro (piloto) [95]; este combustible piloto puede estar conformado de diésel, biodiésel o éteres como el DME. El DME se mantiene con casi cero niveles de humo cuando es aplicado como combustible piloto, o bien se puede hacer en mezclas con biodiésel como lo señalan Paul et al. [96], quienes estudiaron la combustión dual de la mezcla de combustible piloto oxigenado y concluyeron que con un mayor porcentaje de biodiésel y etanol en el combustible piloto aumenta la eficiencia de combustión del motor y también disminuyen los NOx. En otro trabajo, Karabektas et al. [97] consideraron agregar el DEE como combustible piloto y encontraron que se genera una mejora en el BTE y en el BSFC; esto se debe al alto número de cetano de DEE y su contenido de oxígeno; por lo tanto, el proceso de combustión se mejora. El DEE se evapora rápidamente y se mezcla con el aire fácilmente; forma así una mezcla homogénea y además su alto calor de evaporación resulta en una temperatura más baja, y con esto se pueden reducir los NOx. En la Tabla 10 se presenta el éter como combustible piloto en un motor que tiene como combustible principal el biogás.
Tabla 10 Emisiones y rendimiento en motor CI con la mezcla de biodiésel/biogás con DEE.
| Emisión que reduce | Tipo de biodiésel/biogás | La causa de esto | Referencia |
|---|---|---|---|
| CO | WPO | Con WPO el BTE se incrementó (100% de DEE), pero aumentó el HC | [98] |
| NOx y humo | WPO | El BTE se incrementó (con 15% de DEE) y se tuvo una reducción de BSFC | [99] |
| NOx | WPO | El BTE se incrementó (con 10% de DEE) | [98] |
| CO, HC y NOx | Biodiésel/GNC | Un BTE mejorado con DEE en un combustible dual | [100] |
| CO | Biodiésel de soja | Mejora el BSFC (con 5% de DEE); sin embargo, si se agrega más del 40% de DEE, produce una tendencia de detonación | [49] |
| CO, HC y humo | Biodiésel/biogás | Produjo un aumento en BTE (con 6% de DEE) en la mezcla con biodiésel como combustible piloto | [49] |
| - | Gas acetileno | Se redujo el consumo de energía (con 10% de DEE) | [101] |
Mezclas de bioalcohol con agua en motor diésel
Los bioalcoholes se pueden aplicar a los motores diésel mediante dos métodos: en modo de combustión dual y como emulsificación/microemulsificación [67]. A medida que aumenta el contenido de agua, la formación de NOx y el humo se reducen, pero el consumo de combustible, el CO y los HC se incrementan [102]. En el modo de emulsión (Figura 3) aumenta el BTE alrededor de un 6,6%; la razón de este aumento se debe a la eficiencia de combustión mejorada por una mejor atomización y evaporación del combustible que se produce como resultado de una microexplosión [56].
Figura 3 Emulsión con alcohol. a) Fase acuosa, b) surfactante + alcohol, c) mezcla autoemulsión, d) aceite + cosolvente. (Elaboración propia).
Algunos estudios confirman que los combustibles diésel/biodiésel se pueden mezclar con una baja relación de volumen de alcoholes para formar combustibles microemulsionados [67] (Figura 4). La microemulsión es un método utilizado para mezclar aceites vegetales o biodiésel con alcoholes y de esta manera reducir la viscosidad, y además sirve como disolvente (ejemplo, el butanol), debido a su mayor índice de cetano, menor riesgo de corrosión, menor polaridad y mayor valor calorífico [103]. Kannan et al. [104] estudiaron el efecto de las microemulsiones de diesterol-agua en motor diésel de un solo cilindro con diferentes cargas y una velocidad constante de 1500 rpm. Los resultados muestran que la microemulsión aumentó el BSFC y redujo el BTE, pero generó incrementos de CO, CO2 y HC, aunque hubo reducciones significativas de NOx y humo. Otro estudio con resultados distintos lo presentan Mukhtar et al. [105]; ellos analizaron el efecto del etanol en la emulsión con diésel, en una emulsión tricombustible (etanol, biodiésel y diésel). Los resultados señalan que la tasa de liberación de calor y la presión dentro del cilindro de la emulsión tricombustible durante el período de retardo del encendido aumento en comparación al diésel. La tasa máxima de liberación de calor y la presión dentro del cilindro de las emulsiones tricombustibles mejoraron en comparación con las del diésel.
Adición de nanopartículas con alcohol en motor CI
Las nanopartículas en las mezclas de combustible generan una oxidación debido a la alta relación del área de superficie-volumen y por su superficie reactiva más amplia, por lo que proporcionan mayor entalpía de combustión, con un aumento en la densidad energética [106]. Se ha demostrado que existe un gran potencial entre diversas mezclas como el n-butanol y BHT, con lo que se logra una mejor estabilidad a la oxidación y reducción de NOx [31]. Entre los estudios de mezclas de bioalcohol con nanopartículas destaca el de Venu et al. [107], en el cual investigaron el rendimiento y emisión de un motor diésel con una mezcla de diésel al 70%, biodiésel de aceite de Jatropha con 20%, etanol con 10% de combustible y con la adición de 25 ppm de nanopartículas de Al2O3. Los resultados revelaron que la presión máxima del cilindro y el calor máximo de la tasa de liberación se alcanzaron más cerca de TDC (el punto muerto superior), y en el caso de las emisiones el HC, CO, NOx y la opacidad del humo se redujeron. Otro estudio destacable lo presentaron Shaafi et al. [108], quienes encontraron el efecto de las nanopartículas de alúmina, además de las mezclas de etanol e iso-propanol en un motor CI alimentado con biodiésel. El resultado mostró que la adición del etanol y la alúmina generó un aumento en la presión del cilindro de la tasa de liberación de calor. La temperatura de los gases de escape y el BTE aumentaron y además se redujeron las emisiones de CO y HC; sin embargo, los niveles de NOx aumentaron. Finalmente, otro estudio sobre este tema lo presentaron Selvan et al. [109], en el cual analizaron el efecto de incorporar nanopartículas de óxido de cerio y nanotubos de carbono en mezclas de diésel-biodiésel-etanol. Las nanopartículas de óxido de cerio actúan como catalizadores de suministro de oxígeno para oxidar el CO y reducir los óxidos de nitrógeno. La activación del óxido de cerio elimina los depósitos de carbono en el cilindro, lo que resulta en una reducción significativa de HC y emisiones de humo.
Conclusiones
Los alcoholes inferiores como combustible en los motores diésel solo pueden ser aplicados si se mezclan con biodiésel o con algún surfactante; en cambio, los alcoholes superiores son más adecuados para este tipo de motores. El n-butanol se destaca por su facilidad de desplazarse en las tuberías petroleras existentes; el pentanol por su parte tiene más estabilidad en la mezcla y no muestra separación de fases; si se logra tener una buena mezcla, se conseguirá una mejor atomización y combustión. Existe una gran variedad de alternativas de mezclas, entre las que se encuentran las emulsiones, las nanopartículas, los solventes, los aditivos oxigenados y antioxidantes, junto con las mezclas de los diferentes alcoholes además del biodiésel, que hacen que se tengan muchas opciones para generan valores en el desempeño del motor. Desafortunadamente, es necesario que se desarrolle una mayor aportación científica sobre la comparación de los efectos de los alcoholes inferiores (metanol y etanol) con los alcoholes superiores (butanol, pentanol y octanol) mediante análisis en el mismo motor bajo el mismo funcionamiento. Podemos asegurar que una de las claves de éxito para la aplicación de los biocombustibles es determinar la sinergia en la mezcla de alcoholes con otros compuestos que logren mejorar las condiciones del motor, a pesar de la variación que pueda generar el alcohol por las propiedades de su materia prima. Las flexibilidades en las propiedades de los alcoholes hacen que su mezcla con otras sustancias pueda ser efectiva, pero se recomienda emplear un intermediario que pueda servir para lograr una mezcla homogénea, por lo que los surfactantes pueden llegar a tener un protagonismo en el futuro. Por tal razón, este estudio recomienda su utilización. Una mezcla muy adecuada para la combustión puede ser el biodiésel con el pentanol, pero también puede ser con el n-octanol, y finalmente una mención especial al diesterol-BED. La posibilidad de elaborar una mezcla perfecta invita a seguir desarrollando investigaciones sobre esa línea.
