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1. INTRODUCCIÓN
Las investigaciones relacionadas con el control de emisiones de vehículos modernos han sido temas de alto interés en los últimos años, pues el nivel de contaminantes emitidos al ambiente por parte del parque automotor se ha constituido en un problema serio y de alto impacto en el planeta [1].
En cada ciclo de combustión de los motores diésel se emite una cantidad significativa de residuos que ocasionan efectos negativos en la salud de las personas, así como en el medio ambiente. Estos factores causan enfermedades relacionadas con el sistema respiratorio y cáncer, entre otros, además de considerarse uno de los principales artífices del calentamiento global [2], [3].
La industria automotriz ha buscado soluciones implementadas en los vehículos modernos que permitan disminuir el nivel de emisiones de contaminantes al ambiente. En Europa, desde 1993, se han creado normas que permiten regular dichas emisiones denominadas "Normas Euro", de las cuales la "Euro 6" es la más reciente [4], [5].
Los gases de escape de vehículos diésel están constituidos, principalmente, por nitrógeno y una alta concentración de dióxido de carbono (CO2). Las partículas de hollín constituyen una pequeña fracción de las emisiones [6], pero debido a su tamaño nanométrico se adhieren a las partículas de oxígeno en el aire constituyéndose en un contaminante de importancia [7], [8].
La presente investigación analiza el efecto que produce el uso de biodiésel generado a partir de microalgas en el nivel de emisiones de partículas de hollín. Mediante este estudio se plantea mejorar la eficiencia del proceso de combustión del diésel en la cámara de combustión, lo que produce ciclos de trabajo más limpios y, en consecuencia, menores emisiones de hollín al medio ambiente [9]- [11].
Para la elaboración de biodiésel se pueden emplear varias fuentes de primera, segunda y tercera generación [12], mas son las de tercera generación la opción más viable y de menor impacto. En este proyecto se plantea la idea de usar aceite de algas para la elaboración de biocombustible, el cual será sometido a un proceso de transesterificación a fin de obtener el producto final requerido [13]. Los biocombustibles derivados de las algas tienen un menor impacto ambiental en comparación con aquellos producidos a partir de cultivos y, además, no forman parte de la industria alimenticia [14]. Entre las principales ventajas de la producción y el uso de biocombustibles a partir de algas tenemos: una alta captación de CO2 [15], crece en las aguas residuales que utilizan zonas no aptas para la agricultura, los cultivos pueden ser inducidos a producir una alta concentración de materia prima, se puede cosechar sin el uso de fertilizantes y pesticidas que producen coproductos de valor añadido, y representa la única fuente de combustibles renovables con capacidad para satisfacer las demandas globales de energía para el transporte [15].
Es importante señalar que el método para determinar las cantidades máximas de hollín emitidas al ambiente se denomina "medición de opacidad" [17]. En función de estos datos, se podrá emitir un criterio sobre la eficacia del uso de biocombustibles en la reducción de niveles de emisión de hollín.
Las investigaciones referentes al uso de biodiésel en vehículos se remontan a la creación del motor diésel como tal. En 1893, Rudolph Diesel propuso la idea de emplear aceites vegetales como combustibles alternativos para sus motores [18]; sin embargo, fue hasta 1970 que la emergente crisis energética y el elevado precio del petróleo obligó a los fabricantes de automóviles a considerar el uso de combustibles alternativos [19].
En la actualidad, con el fin de reducir el impacto ambiental generado por el creciente uso de vehículos, se propone el empleo de biodiésel para reducir el porcentaje de gases contaminantes en el medio ambiente [20], [21]. Existen varias investigaciones referentes al uso de biodiésel en vehículos convencionales, entre las que se destaca, principalmente, el uso de grasas animales y aceites de plantas para su elaboración. En un estudio realizado en la Universidad Abant Izzet Baysal de Turquía se emplea grasa de pavo para la realización de biodiésel. En ese artículo se resalta la reducción de emisión de partículas de hollín debido a la mejora en la combustión con concentraciones del 10 %, el 20 % y el 50 % de biodiésel [22].
Otra investigación de alta relevancia en el sector de estudio es la realizada en el Instituto de Tecnología de Coimbatore (India), donde se presenta la propuesta de generación de biodiésel a partir de fuentes de tercera generación tales como microalgas, aceites de desecho, grasas animales o aceite de pescado [12]. En ese estudio se resalta la reducción entre el 23 % y el 50 % del porcentaje de partículas de hollín emitidas al ambiente en motores de inyección directa diésel, debido a las propiedades fisicoquímicas del biocombustible que mejoran notablemente la combustión en la cámara de compresión [12].
Por tanto, el presente trabajo de investigación se centra en aportar opciones viables de generación de biodiésel a partir de materias primas no destinadas a la alimentación, con la finalidad de mejorar la eficiencia en la combustión y reducir los niveles de emisiones de partículas de hollín al medioambiente.
2. METODOLOGÍA
La investigación se basa en un estudio cuantitativo experimental, en el cual se obtuvieron valores de porcentajes de opacidad de cada prueba al tener en cuenta el tipo de combustible y el régimen de giro del motor, además del análisis comparativo de resultados en consideración a los valores límites de opacidad para motores diésel de acuerdo con normas nacionales e internacionales.
La medición de las partículas de hollín en los gases de escape se realizó a 2200 metros sobre el nivel del mar (msnm), presión atmosférica de 79 kPa y temperatura ambiente promedio de 22 °C. Para esta medición se utilizó un banco de pruebas de motores diésel marca Mitsubishi modelo Canter 4D31, con una cilindrada de 3298 centímetros cúbicos (cc) de cuatro cilindros con sistema de inyección en línea.
Se utilizaron mezclas de biodiésel a base de aceite de algas con concentraciones de B5 (5 % de biodiésel y 95 % de diésel) y B10 (10 % de biodiésel y 90 % de diésel) y diésel comercial. El estudio realizado con los tres combustibles mencionados permite obtener resultados de opacidad que serán posteriormente comparados y analizados, además de hacer referencia a las normativas de opacidad ecuatoriana, mexicana y colombiana.
Es importante señalar que a fin de obtener resultados veraces de la medición de opacidad con los diferentes combustibles es necesario purgar el combustible existente en el sistema de alimentación, y evitar así mezclas internas no deseadas.
Las mediciones se analizan de forma porcentual; de esta manera se determina el índice de opacidad de cada uno de los combustibles. El Instituto Ecuatoriano de Normalización, en la norma técnica NTE INEN 2 202:2.000, manifiesta que el límite máximo de opacidad de emisiones para fuentes móviles con motor diésel en función de su año de fabricación es, a partir del año 2000 en adelante, del 50 % de opacidad, y los modelos anteriores al 2000 del 60 % de opacidad [23].
Las normas mexicanas de emisiones de gases de escape determinan que los límites máximos permisibles de opacidad en los vehículos automotores con un peso bruto mayor a 400 kilogramos y hasta 3857 kilogramos que usan diésel es del 57,86 % en modelos anteriores al 2003, y en vehículos posteriores al 2004 del 47,53 % [24].
Las normas colombianas de emisiones de gases de escape establecen que para vehículos con motores de encendido por compresión diésel, los límites permitidos son del 60 % en modelos anteriores al 2008 y del 50 % de opacidad en posteriores al 2008 [25].
A fin de realizar las mediciones de opacidad se utilizó el opacímetro OPA 100 marca Brain Bee. Este instrumento se caracteriza por medir el porcentaje de luz que atraviesan los gases de escape y de esta manera obtener el índice de opacidad.
Se debe tener en cuenta la temperatura óptima de funcionamiento del motor (80 °C) para una correcta medición de opacidad, pues el opacímetro exige esta comprobación antes de realizar las pruebas. De igual manera, se necesita conocer el régimen de giro del motor medido a través de un captador magnético incluido en el opacímetro.
Una vez se establecen las condiciones iniciales, se procede a realizar la prueba de es-tanqueidad, la cual consiste en comprobar que no existan fugas de gases en la sonda del equipo. Posteriormente, se realiza la autocalibración del valor cero en relación con los gases en el ambiente al momento de la prueba. Cumpliendo estos parámetros, se procede a insertar la sonda del opacímetro en la salida de gases de escape para realizar las mediciones de opacidad. Para las mediciones se establecieron cuatro diferentes regímenes de giro del motor considerados como: ralentí (720 RPM), carga parcial (1500 RPM), carga media (2500 RPM) y plena carga (3000 RPM). Se realizaron cinco pruebas por cada régimen y con cada tipo de combustible (B5, B10 y diésel).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para el análisis de resultados se han considerado los promedios del coeficiente de absorción de luz [m-1] y del porcentaje de opacidad que tienen los gases de escape del motor con diésel premium (mezcla B10 y mezcla B5). De acuerdo con los promedios de los regímenes de giro del motor por cada combustible, presentados en la figura 1, se evidencian resultados que arrojan una disminución significativa del porcentaje de opacidad con las diferentes mezclas de biocombustible comparado con el diésel premium. De la misma forma, se muestra una disminución considerable del coeficiente de absorción de luz al utilizar biocombustible en diferentes relaciones, tal como se indica en la figura 2.
Análisis de opacidad y coeficiente de absorción de luz en ralentí (720 rpm)
Con el régimen de giro de 720 rpm se observa que la opacidad disminuye desde 3,3 % con diésel premium regular, hasta un 2,24 % con la mezcla B10. Con mezcla B5 existe una reducción del 2,62 %.
Estos valores indican que se tiene un porcentaje de reducción promedio del 20,6 % con el uso de mezcla B5, y una reducción promedio de 32,12 % con el uso de mezcla B10. Asimismo, se puede observar que los coeficientes de absorción de luz que presentan un valor de 0,08 [m-1] con diésel común disminuyen hasta 0,064 [m-1] con mezcla B5 y a 0,056 [m-1] con mezcla B10. Es importante considerar que este valor indica la cantidad de luz que absorben los gases de escape, lo cual manifiesta que mientras más luz absorba, mayor opacidad y contaminación existirá.
El uso de biocombustible en el diésel común ha representado una reducción promedio del 20 % con mezcla B5 y del 30 % con mezcla B10.
Análisis de opacidad y coeficiente de absorción de luz a 1500 rpm
De igual manera que a ralentí, los resultados arrojan valores satisfactorios, pues muestran que con el uso de biocombustibles se reduce la opacidad de un 5,82 % con diésel común a un 2,14 % con mezcla B5, y a 1,64 % con mezcla B10. Esto significa una reducción promedio del 63,2 % con mezcla B5 y del 71,8 % con mezcla B10.
Los valores del coeficiente de absorción de luz también disminuyen considerablemente en valores de 63,4 % y 71,8 % con B5 y B10, respectivamente.
Análisis de opacidad y coeficiente de absorción de luz a 2500 rpm
En valores de regímenes de giro más altos se obtiene la misma tendencia de reducción de opacidad y coeficiente de absorción de luz. Para el caso de la opacidad, se reduce en un 10,1 % y 11,9 % en mezclas B5 y B10, mientras que en el coeficiente de absorción de luz se reduce el 12,5 % en ambos casos.
Análisis de opacidad y coeficiente de absorción de luz a 3000 rpm
En cuanto a la opacidad de los gases contaminantes, para 3000 rpm los porcentajes de disminución son del 12,3 % en B5 y de 14 % en B10. El coeficiente de absorción de luz, de igual manera, se vio reducido con mezcla B5 en un 11,8 % y un 12,9 % con mezcla B10.
Todos los datos expresados se pueden observar en la tabla 1 y en la tabla 2.
La tendencia permite considerar que mientras se aumente la cantidad de biocombustible en el diésel regular, los porcentajes de opacidad de las emisiones de gases disminuirán. De igual manera, se evidencia el mismo comportamiento para los resultados del coeficiente de absorción de luz. Este análisis se puede observar en la figura 3 y la figura 4, en las que se expresa la ecuación del modelo matemático que predice los resultados con diferentes mezclas de biocombustible y diésel.
Fuente: elaboración propia.
FIGURA 3 LÍNEA DE TENDENCIA DEL COMPORTAMIENTO DEL PROMEDIO DE OPACIDAD POR CADA COMBUSTIBLE
4. CONCLUSIONES
El uso de biocombustibles a diferentes mezclas reduce de manera significativa los índices de opacidad y coeficiente de absorción de luz en motores de combustión interna con encendido por compresión, lo que conlleva a una reducción en los niveles de contaminación del medio ambiente.
Así, mientras mayor sea la concentración de biocombustible en el diésel común, se prevé una mayor reducción del porcentaje de opacidad y del coeficiente de absorción de luz en los gases de escape. Sin embargo, se deberían considerar los efectos adversos que podría provocar una alta relación de biodiésel en los componentes mecánicos del motor.
Las algas (chrolella) son un tipo de vegetación abundante en las zonas marítimas del planeta que, debido a su naturaleza, es idóneo para la fabricación de biocombustibles. Este tipo de planta, al no ser de consumo humano ni industrial, se considera una materia prima de tercera generación cuya producción no tendrá repercusiones en el ser humano.
El uso de biocombustibles garantiza que las emisiones de gases de los motores de combustión interna con encendido por compresión cumplan las normativas más exigentes de cada uno de los países, y se asegure así la calidad del aire y la disminución del impacto ambiental de este tipo de vehículos.
