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Biocombustibles mezclados como vanguardia energética del planeta

    Las investigaciones en el sector de los combustibles renovables desde hace mucho tiempo están convirtiéndose en una de las prioridades en el marco de programas tecnológicos que se redactan por muchas potencias mundiales. Las estadísticas no se las puede negar. De acuerdo con la estrategia del desarrollo adoptada por la Unión Europea,  en el año 2010,  un 5,75% de combustibles para motores de combustión interna van a ser de base biogénica. En el año 2017 EE UU se preparan a recibir suministros de biocumbustibles en el orden de 100 millones de toneladas. A partir del año 2013, en el Brasil se prevé subir el porcentaje de consumo de biocombustibles hasta el 5%. Esta tendencia es condicionada por tres factores que manifiesta la realidad: 1) demanda de consumo de recursos energéticos a nivel mundial está creciendo a un ritmo sostenido (según los pronósticos de una compañía petrolera líder, British Petroleum, la subida de la demanda de recursos enérgeticos en el año 2030 será del 50% en comparación con los datos del 2005); 2) reservas mundiales de petróleo y gas se están agotando y los yacimientos que quedan suelen ser de un acceso difícil y lejano; 3) situación económica del planeta sigue empeorando terriblemente afectando a la salud de seres vivos.

A partir del año 2007 fabricantes y vendedores de combustibles que actuaban en los países de la Unión Europea estaban obligados por la ley a agregar en gasolinas hasta un 5% de etanol, lo que resalta la importancia de este problema desde la óptica de la comunidad mundial.

Está creciendo el ritmo que coge la aplicación de insumos biológicos en el sector de combustibles. Si a finales de los años 90 el porcentaje de biomasa dentro de producción de la energía eléctrica y térmica en los países de la UE era igual al  60,20%, para el año 2010 se prevé que este índice crecerá hasta el 74,2%. Asimismo, se plantea que en el 2020 la parte que se llevará el biocombustible del total de los combustibles quemados por todos tipos de vehículos ascenderá hasta el 10%. Precisamente los países de la Comunidad Europea son los que apuestan más por el desarrollo de biodiésel, en comparación con dos gigantes del continente americano, EE UU y el Brasil, que lideran en el sector de fabricación de etanol. Entre los europeos destacan Alemania, Francia e Italia donde el crecimiento de la prodcucción de biocombustibles también en el futuro seguirá a un ritmo igual de alto    

Se pregunta ¿qué es exactamente un biocombustible mezclado y cuáles son sus ventajas para la industria?

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Los protagonistas de este estudio serán biodiésel y bioetanol.

Bioetanol (griego βίος – vida) – El etanol es un compuesto químico que puede utilizarse como combustible, bien solo, o bien mezclado en cantidades variadas con gasolina, y su uso se ha extendido principalmente para reemplazar el consumo de derivados del petróleo. Un recurso energético potencialmente sostenible que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas  

El primer motor que funcionaba con etanol y trementina fue ideado y patentado por Samuel Morey en el 1826. A partir de entonces el combustible de etanol está conquistando palmo por palmo el espacio comercial de todo el mundo.

También es importante subrayar que a principios del siglo XX, Henry Ford estuvo trabajando en creación de un coche que  funcionase con un combustible de alcohol pero la Ley seca y el bum petrolero que estalló en Texas lo hicieron optar por la gasolina.

Biodiésel (griego βίος – vida, diesel – del apellido del ingeniero alemán Rudolf Diesel) – es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo,^[1] mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo.

La idea sobre el uso del aceite vegetal como combustible se remonta al 1895 cuando Rudolf Diesel creó el primer motor con este combustible. El inventor no dudaba la importancia de su invento prediciendo una gran popularidad del aceite vegetal usado como combustible.

Para la obtención del biodiésel pueden ser usados los aceites de girasol, lino, colza, etc...Según los estudios es precisamente de colza el aceite que se usa más para producir biodiésel (84%), seguido por el de girasol (13%) y el de soja (2%). Los demás aceites ocupan el restante 1%. Por cierto, las características del biodiésel varían en función de materia prima. El combustible producido a partir de la palma tiene más calorías y posee una temperatura muy alta de filtrado y congelación siendo el de colza de menos calorías pero aguantando mejor que ninguno el frío, lo que lo hace imprescindible para los países con clima europeo. Además, diferentes insumos ofrecen unas potencias de producción desiguales: colza (Europa) –   1200 l/ha de aceite; soja (EE UU, Argentina) – 446 l/ha; canola (el Canadá) – 1000 l/ha; mamola (Brasil) – 1410 l/ha; jatrofa (la India) – 1900 l/ha; palma (Indonesia, Filipinas) – hasta 5900 l/ha. La que da más aceite es copra (62%); los que dan menos son sésamo y ricino. La media de aceite para producción de una tonelada de biodiésel son 980 kg, la de alcohol metílico son 125 kg, y la de catalizador son 14,2 kg.

Bidiésel puede ser usado como un combustible independiente (B100) y también como un agregado al combustible diesel (B5-B20). La mezcla de diesel con biodiésel suele ser indicada con la B. El número marca el porcentaje del biodiésel. Por ejemplo, Â2 queire decir que hay un 2 % de biodiésel y un 98 % de diesel.

Analizando la evolución del combustible bioorgánico se observa dos formas que sustituyen una a la otra: primario (no tratado) – madera, astillas, gránulos son materiales orgánicos que se usan en su forma natural, secundario (tratado) – sólido (carbón), líquido (etanol, biodiésel, aceite) y gaseoso (biogás, hidrógeno).

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Biocombustible mezclado es un combustible cuyos octanaje y parámetros de seguridad ecológica han sido mejorados mediante agregados de bioetanol o biodiésel.

Fueron los fabricantes de coches y unas grandes petroleras los que se oponían a que una nueva industria entrase en el mercado y es por eso que durante mucho tiempo en los vehículos se usaba preferentemente un combustible convencional a base de petróleo. Este cariz se desarrollaba hasta la crisis petrolera que se desató a principios de los 70, algo que abrió el camino al uso de biocombustibles como agregados a la gasolina. Hoy por hoy, bioetanol y biodiésel se promocionan como un combustible renovable puro, que, según ciertos pronósticos, es capaz de refrenar calentamiento global y reducir contaminación del aire.

Cualquier gasolina en sí es una mezcla dado que en su producción se utilizan varios agregados (sustancias que se añaden en el orden del 0,05-0,1%  en los combustibles y aceites minerales y sintéticos a efectos de mejorar las propiedades operativas de éstos).

Una de las principales características de la gasolina es su octanaje (resistencia detonante). Cuanto más alto está, mejor. Detonación es una combustión acompañada de una inflamación de la mezcla producida simultáneamente en varios puntos del cilindro. Octanaje de la gasolina después de la decantación inicial del petróleo no suele superar el 70. Especialistas en tecnologías del mezclado están buscando soluciones para subir este índice.

Un dudoso éxito en estas investigaciones era el uso de uniones de plomo. Estas sustancias influyen en el octanaje sin alterar otras propiedades de la gasolina. Sin embargo, resultó que los agregados plomizos eran extremadamente venenosas. Sus vapores podían llevar a patologías y hasta a la muerte. En consecuencia de ello las autoridades de EE UU declararon la reducción paulatina del contenido de  plomo en la gasolina. A partir del año 2000 en la UE se dejó de usar gasolinas con contenido de plomo.

La bola ya estaba echada a rodar. La gasolina necesitaba “un balón de oxígeno”, algún refresco mediante unos agregados. La piedra angular de la nueva solución debería ser seguridad del medio ambiente y el carácter amigable con la salud humana. Una serie de leyes aprobadas entre el 1988 y el 1990 marcaron el rumbo de las nuevas tecnologías. La ley exigió la incorporación en la fórmula de la gasolina de unos agregados totalmente incinerables con contenido de oxígeno, que pasaron a denominarse “oxigenatos”. Son, mayoritariamente, unos alcoholes (metílico, etílico e isobutílico) y unos éteres, ecológicamente límpios y producibles de insumos asequibles. Estos agregados suben octanaje y regulan capacidad de vaporización de los combustibles. Al mismo tiempo, en la gasolina sube la cantidad de oxígeno.

Una norma europea del año 2006 ÅN 228-2000 establece el siguiente contenido máximo de los oxigenatos en la gasolina (%): metanol – 3, etanol – 5, isopropanol, isobutanol – 10, tretbutanol – 7, éteres (Ñ5+) – 15.

Luego vinieron reformas que aumentaron la concentración asequible del etanol y biodiésel en el combustible. A pesar de que el potencial económico global del biocombustible ha empezado a ser evaluado hace poco, según los pronósticos del  Banco Mundial, la media del porcentaje del biocombustible en las gasolinas subirá del 1 al 6 % en el año 2020.

Los estándares del uso de biocombustibles varían en función del país:

Los países bálticos también están a la altura. En Letonia, en otoño del 2009 fue aprobada una ley, según la cual a partir del  1 de octubre los vehículos pasaron a usar la gasolina  95 con un agregado obligatorio del 5% de etanol. Sin embargo, no fue permitido añadir biocomponentes al combustible árctico.

Hace algún tiempo fue éter metilbutílico (EM) que quitaba el protagonismo al bioetanol en el mercado de EE UU. En las urbes del país y en el estado de California lanzaron al mercado una especie de gasolina reformulada que contenía de desde el  5 hasta el 15% del EM. En el período del tiempo desde el 1992 hasta el 2001 el consumo del EM en EE UU creció 4 hasta 10,5 millones de toneladas. Sin embargo, se demostró que este agregado era demasiado tóxico como para seguir donimando. Se supo que el EM se descomponía emitiendo metanol y su incorporación en las aguas podía imposibilitar suministro eficaz de éstas.  Así que pronto la rivalidad entre etanol y el EM se decantó por aquél primero, lo que quedó estipulado por la legislación de EE UU. Según los datos facilitados por la Asociación de los combustibles renovables, unos 900 000 granjeros americanos forman parte de las  sociedades productoras de etanol.  

Ahí estaba también el biodiésel para el cual las autoridades europeas elaboraron una serie de normativas: EN14214, EN590 (o EN590:2000). Se admite un 5% del biodiésel en el diesel mineral. En algunos países (Francia, entre ellos) todos los combustibles diesel contienen un 5% del biodiésel. DIN V 51606 es un estándar alemán aprobado en el 1997 y compatibilizado con motores de casi todas las marcas de vehículos siendo uno de los más rígidos. Existen también otros estándares: EE UU (ASTM D-6751), aprobado en el 2002; Austria (ON C 1191), aprobado en el 1997; Australia (FS (B) D), aprobado en el 2003; Suecia (SS 155436), aprobado en el  1996.

Uno de los indiscutibles líderes en el sector de la fabricación de biocombustibles son EE UU, que iniciaron la producción y aplicación de etanol haciendo hincapié en el cultivo del maíz como un insumo principal. El Gobierno fomenta este sector llevando a cabo la política de estimulación fiscal concediendo unas subvenciones estatales y federales.  No obtsante, uno de los rivales de EE UU en el área de combustibles, el Brasil, no se deja adelantar habiendo fabricado para el año 2006 un total de 12,3 millones de toneladas de bioetanol.

Los resultados de la encuesta realizada por la compañía AUS Consultants  patentizan que gracias a la aprobación de un nuevo estándar la importación del petróleo crudo en EE UU en el año 2012 reducirá en  250 millones de toneladas.

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Las mayores ventajas que tiene bioetanol ante sus rivales:

ü     Resistencia antidetonante alta;

ü     Mejora del proceso de combustión de gasolina (debido a la presencia del oxígeno dentro de la molécula);

ü     Carácter completo de combustión;

ü     No hay productos de combustión tóxicos no cancerígenos.

También es favorable para su eso la facilidad de la obtención del etanol. El alcohol se fabrica con unos gastos mínimos. Por ejemplo, en Alemania en el 2007 se gastaba de desde 0,55 hasta 0,80 euros por un litro en la producción de un combustible a partir de remolacha. Las materias primas principales son las siguientes: trigo – 350 l/t (productividad en bioetanol por una tonelada); patatas – 115 l/t; maíz – 370 l/t; remolacha – 85 ë/ò; caña de azúcar – 70 l/t; yuca – 180 l/t; frutas – 160 l/t; celulosa – 340 l/t. Caña de azúcar es más popular en el Brasil mientras el maíz, trigo y remolacha son de mayor uso en EE UU y Europa.

El tema de la influencia que la gasolina clásica provoca sobre la salud humana fue repetidamente suscitado por varias instituciones y científicos. Los efectos que tienen los productos de combustión de diesel también son esenciales para la  etiología (un estudio de las causas sobre alguna enfermedad) del cáncer. La contaminación del aire es la séptima causa más difundida de la muerte en el mundo entero. Los coches emiten al aire un 30% de todas las contaminaciones subiendo este valor en las ciudades hasta el 80%. Usando los combustibles alternativos este problemas será solucionado.

El uso del bioetanol del 5% reduce las emisiones del carbono en el 3,5%,  y las del E85 (el 85% del combustible de alcohol) en el 50%.  Si en el biocombustible hay hasta un 15% del alcohol etílico, CO en los gases de escape cae en un 25%, los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno bajan en un 5–15%, puesto que bioetanol quema las emisiones nocivas de la gasolina.

Sin embargo, hay unas pequeñas desventajas en el combustible alcohólico, tales como la fácil volabilidad del líquido homogéneo; impacto sobre la fracción de la gasolina; calor bajo de combustión. También se conoce su alto nivel de higroscopia, es decir el combustible se mezcla fácilmente con el agua, por lo cual la mezcla de bioetanol con gasolina se separa si hay agua. Este factor no hace daño siempre que el combsutible se aplique correctamente. La incorporación de un estabilizador impide la separación de la gasolina con alcohol hasta los valores de temperatura iguales a -40 – -23°Ñ. Aceites de fusel son un estabilizador excelente y además barato, que garantiza homogeneidad del combustible a temperatura superior a -25°Ñ.

Uno de los factores más que cuestionan la utilidad del uso del combustible de bioetanol puede ser considerado el problema de su influencia en el llamado efecto invernadero, algo por lo que se ven alborotados muchos científicos, que predicen que las emisiones de los gases a la atmósfera en los próximos 30 años crecerá el doble.

En contraposición de su escepticismo se plantean las siguientes razones:

1) usando etanol mezclado con la gasolina se reduce emisión del óxido de carbono, que en el 20% de los casos provoca formación del esmog;

2) El CO₂  que aparece se absorbe por las plantaciones verdes, el que complementa la circulación de sustancias en el ambiente;

3) agregando a los combustibles de motor tradicionales un 10% de los biocombustibles,  la cantidad de sustancias nocivas en las emisiones de vehículos se reduce en un 30%;

4) además, existe una teoría según la cual el efecto invernadero surge por el cambio de polos magnéticos de la Tierra siendo el factor humano una causa secundaria de dicho proceso.

No es por casualidad que en la ONU se crea que el desarrollo del mercado del combustible limpio es una de la tareas más importantes de  la comunidad mundial.

En el año 2007, se usaba unos  3 millones de coches que consumían una gasolina con una mezcla de hasta un 85% de etanol. Unos gigantes de la producción de vehículos, tales como «General Motors», «Ford» o «Daimler-Chrysler»  crean unos millares de coches que funcionan igual con una gasolina normal y con un combustible mezclado con etanol.

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 Las ventajas principales de biodiésel :

    ü            Posibilidad del uso en motores de diesel convencionales no modificados;

    ü            Se almacena en las mismas condiciones que el diesel;

    ü            Producción y aplicación del biodiésel supone un 80% menos de emisiones del óxido de carbono y un casi 100%  menos del dióxido de azufre;

    ü            Se reduce en un 90% hidrocarburos no quemados y en un 75-90% hidrocarburos aromáticos policíclicos;

    ü            No es cancerígeno;

    ü            Se prolonga la vida útil de los motores diesel debido a las propiedades lubircantes;

    ü            Es poco tóxico y tiene un punto de inflamación alto.

También hay unas pequeñas desvantajas:

    ·               Es más agresivo que un combustible mineral con componentes poliméricos y de goma de los coches;

    ·               La superficie pintada del coche puede sufrir daño contactando con biodiésel;

    ·               La potencia del motor es un 6-8% menor en el régimen nominal;

    ·               No puede ser usado como combustible de invierno ni como combustible árctico.

Los cálculos llevados a cabo por los científicos rusos patentizan que el desarrollo de la producción de los combustibles alternativos permitirá independizar el sector agrícola ante el coste de petróleo. Crear un puesto de trabajo en Rusia, según sector, cuesta: industria petrolera -  $220, siderúrgica $145, fabricación de coches $91, producción de biodiésel a efectos agrícolas $11.

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Hay varios tipos de máquinas para mezclar líquidos: mecánicas, electromagnéticas, de gravitación, ultrasónicas. Uno u otro tipo se elige en función de los requerimientos de la mezcla final. Para mezclar combustibles en gasolineras y pequeñas petroleras se suele usar dos tecnologías de mezclado: 1)  por el volumen, usada para pequeños tanques, una tecnología obsoleta y de bajo rendimiento; 2) en flujo, una tecnología avanzada y de alto rendimiento.

La tecnología de mezclado en flujo tiene varias ventajas: fácil en mantenimiento; dosificado de componentes con alta precisión; alta calidad del producto final; alta capacidad;opción para usar múltiples agregados; control  y monitoreo constante de consumo de los componentes; fácil acoplamiento a nuevos módulos;reducción del ciclo de mezclado, no hay que usar tanques para homogenizar el producto final. Un mezclador de flujo funciona en un régimen de mezclado que permite incorporar simultámeamente todos los componentes en el colector común a recetas previstas y pasando el producto final al tanque de almacenamiento.

El mezclado en flujo se realiza de dos maneras:  a chorro de dosificado o mediante eyección siendo éste último un modo más avanzado que aquél  primero, que requiere de un equipamiento abultado y exige unos altos costes operativos.

Mezclado hidrodinámico de eyección  es una tecnología nacida de la falta de combustibles de alto octanaje y como una medida tomada en consecuencia de daños ecológicos provocados por los agregados plomizos. El equipamiento eyector es un conjunto de mezcladores colocados adecuadamente dentro del tanque. El dosado se hace con un contador electrónico montado en la línea de entrada de los componentes o con unos dispositivos de dosado preciso de los que se disponga en la empresa. Las máquinas de régimen eyector pueden ser usadas en las gasolineras y en los almacenes y empresas de la industria petrolera. Son operables en locales y en unas plazuelas cubiertas con un toldo. Son portátiles y montables tanto sobre plataformas ferroviarias como sobre chasis automóviles. El diseño del equipo garantiza una operación segura dentro de los talleres con condiciones altamente peligrosas tanto en las empresas en funcionamiento, como en las que se están construyendo. Los componentes principales del equipo de mezclado eyector son los siguientes: bomba centrífuga que crea el flujo general; caudilímetros de los componentes y agregados; filtros trampas e indicadores del régimen operativo. Lo esencial de este tipo de la preparación de las gasolinas es una eyección ininterrumpida de los componentes combustibles y su mezclado ultrasónico. El flujo tiene presión sobre 0,7 ÌPà y crea rarefacción en el colector de la planta. Debido a un vacío se realiza un dosado de los componentes y agregados. Luego el combustible dosado llega al mezclador donde se convierte en una mezcla altamente dispersa y al pasar por la cabecilla ultrasónica remata el mezclado.

Una gran aportación en las investigaciones de los sistemas mezcladores están haciendo los científicos de la compañía ucraniana GLOBECORE cuyas ideas han sido implementadas en la producción en serie de las máquinas de tal perfil  (USB-18, USB-20, USB-60, USB-100, USB-150). Estas plantas son capaces de mezclar en flujo combustibles y otros líquidos (de dos a cinco componentes), añadiendo unos agregados de origen vegetal y de bioetanol. Las máquinas pensadas y hechas en la empresa ucraniana pueden ser tanto fijas como portátiles acoplándose a remolques, furgonetas y plataformas. Durante la fabricación se toma en consideración los requerimientos del cliente y la receta del producto final (gasolinas À-80, Àè-92, Àè-95, À-92-Åê, À-98-Åê, diesel de verano, diesel de invierno, diesel árctico, combustibles de alto octanaje). El método de eyección y mezclado ultrasónico  permiten subir octanaje de gasolinas y la separación del producto no ocurre en 180 días posteriores al mezclado. Se evita los inconvenientes que provocan separación del producto en consecuencia del mezclado convencional.

Entre otras ventajas de esta tecnología constan las siguientes: rentabilidad económica (usando una sola máquina de mezclado hidrodinámico una petrolera se ahorra unos 3-5 millones de dólares anuales produciendo al año una tonelada de gasolinas). Esta tecnología permite bajar la cantidad de los tanques, puesto que el proceso tecnológico se acelera. Un mezclador hidrodinámico en 11 horas permite producir la misma cantidad de gasolina que se sacaba en un mezclado tradicional con duración de 40 horas. Prescindiendo de la construcción de los nuevos tanques de almacenamiento se ahorra  de 1 hasta 2 millones de dólares. Una importante disminución de la duración del ciclo mezclador y una salida continua del producto hecho permite prescindir de los mezclados repetidos y lleva a la reducción de los fondos del balance económico. El sistema de mejora de la producción en el llamado régimen de «fuera del tiempo real» hace conseguir el uso óptimo de los componentes disponibles subiendo el porcentaje de los componentes con bajo costo y estructurando el registro de los materiales iniciales igual que su consumo para las operaciones de mezclado. Todo esto permite ahorrar unos 0,25–1,12 dólares en mil litros de la gasolina producida, que son de 150 hasta 480 dólares en un turno de trabajo.

El mezñlador hidrodinámico no exige el trabajo de tantos operarios como un ciclo normal de mezclado combinado con la realización de los análisis en el laboratorio. El control automatizado de los tanques hace prescindible el trabajo de muchos operarios, los que trabajaban con las bombas a mano. Se estima que este factor permitiría ahorrar unos  500 mil dólares más.

Queda claro la implementación de las tecnologías de eyección y de mezclado ultrasónico en la producción de combustibles de motor puede perfeccionar el trabajo de las petroleras, subir nivel industrial y proporcionar numerosas ventajas económicas.

Postgraduado Igor Liadskiy