Colegio: Unidad Educativa Bilingüe Scotland School Asignatura: Metodología de Investigación Científica Nombre: Diego Hermosa Curso: 3ero de Bachillerato Físico- Matemático Fecha: 30-01-2012 30-01-2012 Título del trabajo: El biodiesel, su fabricación y su aplicación en Latinoamérica, en especial en el Ecuador. Enunciación y delimitación del tema: En esta monografía se va a hablar exclusivamente del biodiesel, su origen, producción y elaboración, en el ámbito de combustible alternativo para motores a diesel, no se va a hablar de otro biocombustible aparte de este Justificación: A diario se observa que la contaminación ambiental es obra principal del hombre, debido al desarrollo de la evolución industrial; generando de esta manera un empobrecimiento de los recursos naturales. Sin embargo, crece la necesidad de buscar alternativas, con el fin tanto de preservar estos recursos como de evitar el incremento. Por lo anterior, la importancia de la realización de este trabajo es enfocada a brindar información de una nueva alternativa que genere cambios ambientales, industriales y económicos, no reduciéndolos totalmente pero sí ayudando a que estos no se incrementen; como lo es la producción de un biocombustible como el biodiesel que cuenta con las características c aracterísticas necesarias para mejorar la calidad del medio ambiente. ambiente. Pregunta central y secundarias: Pregunta central: ¿Cómo demostrar el uso del biodiesel para sustituto de los combustibles fósiles en motores a diesel? Preguntas secundarias: secundarias: ¿Cómo se produce el biodiesel? ¿Cuál es su función y rendimiento, y su diferencia con los combustibles fósiles? Cuáles son sus ventajas y desventajas? Objetivos: Explicar que es biodiesel. Explicar adecuadamente adecuadamente como c omo se produce el biodiesel. Demostrar cual es sus diferencias en relación con los combustibles fósiles.
Demostrar las ventajas y desventajas del biodiesel. Hacer una demostración práctica de cómo se produce el biodiesel. Potenciar el conocimiento sobre este tema. Esquema del cuerpo de la monografía: monografía: Capítulo 1 1.1 ¿Cuál es el origen del biodiesel? El origen se remonta a 1898, cuando en una Exposición Mundial de París Rudolf Diesel, presento su motor diesel alimentado por aceite de cacahuate« un biocombustible. La visión que tenía Rudolf Diesel de este tipo de combustibles es que fuera el verdadero futuro del motor, con uso de combustibles obtenido a través de la biomasa. Ya en un discurso en 1912 dijo "el uso de ac eites vegetales para el combustible de los motores puede parecer insignificante hoy, pero tales aceites pueden convertirse, con el paso del tiempo, importantes en cuanto a sustitutos del petróleo y el carbón de nuestros días". El biodiesel es un combustible de origen renovable que se obtiene a partir de aceites vegetales y grasas animales y posee propiedades similares a las del gasoil. El aceite vegetal, cuyas propiedades para la impulsión de motores se conocen desde la invención del motor diésel gracias a los trabajos de Rudolf Diesel, ya se destinaba d estinaba a la combustión en motores de ciclo diésel convencionales convencionales o adaptados. A principios del siglo XXI, en el contexto de búsqueda de nuevas fuentes de energía, se impulsó su desarrollo para su utilización en automóviles como combustible alternativo a los derivados del petróleo. (Era Solar; 2005; 19-25) 1.2 ¿Cuál es el porqué de su creación c reación? ? Durante la segunda guerra mundial, y ante la escasez de combustibles fósiles, se destacó la investigación realizada por Otto y Vivacqua en el Brasil, sobre diesel de origen vegetal, pero fue hasta el año de 1970, que el biodiesel se desarrolló de forma significativa a raíz de la crisis energética que se sucedía en el momento, y al elevado costo del petróleo. Las primeras pruebas técnicas con biodiesel se llevaron a cabo en 1982 en Austria y Alemania, pero solo hasta el año de 1985 en Silberberg (Austria), se construyó la primera planta piloto productora de RME (Rapeseed Methyl Ester-metil éster aceite de semilla de colza). Los carburantes que proceden del petróleo suponen el 98% de la demanda global de energía en el sector del transporte. La práctica total dependencia de estos combustible no es lo más idóneo teniendo en cuenta las limitadas reservas del petróleo y que muchas de éstas se encuentran en zonas políticamente inestables. Por otra parte, los principales compromisos para la reducción del efecto invernadero se adoptaron a través del Protocolo de Kyoto, donde la UE se
comprometió a reducir en u 8% los niveles de emisiones de gases de efecto invernadero en el 2010 respecto a los valores de 1990. Así, la Comisión Europea ha señalado como objetivo prioritario para los próximos años reducir la dependencia del petróleo mediante la introducción, entre otras tecnologías, de biocombustibles, pilas de hidrógeno, hidrógeno, etc. y disminuir las emisiones de gases contaminantes. Los combustibles líquidos de origen agrícola (biocarburantes) se contemplan como la alternativa más clara y de mayor potencial frente a la utilización de gasolina o gasoil debido a su carácter renovable y su menor impacto ambiental. En Europa, es producido principalmente a partir del aceite de la semilla de canola (también conocida como colza o Rapeseed) y el metanol, denominado comercialmente como RME (Rapeseed Methyl Ester), el cual es utilizado en las máquinas diesel puro o mezclado con aceite diesel, en proporciones que van desde un 5% hasta un 20%, generalmente. En Alemania y Austria se usa puro para máximo beneficio ambiental. (Tecnoambiente; 2007; 18-21)
Capítulo 2 2.1 ¿Cómo se elabora el biodiesel, especialmente el proceso de producción en el Ecuador? Este se elabora químicamente mediante la transesterificación proceso industrial utilizado en su producción, consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en di glicérido, mono glicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Todo este proceso se lleva a cabo en un reactor donde se producen las reacciones y en posteriores fases de separación, purificación y estabilización. En este punto se describirán los diferentes procesos para la producción de biodiesel entre los que se incluyen el proceso general de transesterificación y el proceso general de esterificación, aunque habitualmente en este último el proceso se utiliza en combinación con el de transesterificación a partir de los ácidos á cidos grasos, subproductos de este proceso, para la producción de biodiesel. Además también se comentarán estos procesos en discontinuo y en continuo, para finalizar con el proceso en condiciones supercríticas donde no es necesario añadir catalizadores. catalizadores. Proceso general de t ransesterificación: ransesterificación: Aunque todas ellas tienen en común los aspectos mencionados en el punto anterior de producción de biodiesel mediante el proceso de transesterificación, sin embargo existen múltiples opciones de operación viables para la fabricación de biodiesel. Muchas de estas tecnologías pueden ser combinadas de diferentes maneras variando las condiciones del proceso y la alimentación del mismo. La elección de la tecnología será función de la capacidad deseada de producción, alimentación, calidad y recuperación del alcohol y del catalizador. En general, plantas de menor capacidad y diferente calidad en la alimentación suelen utilizar procesos Batch o discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de mayor capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme. ( Green, 2005; 32)
Proceso Discontinuo: Es el método más simple para la producción de biodiesel donde se han reportado ratios 4:1 (alcohol: triglicérido). Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65ºC, aunque rangos de temperaturas desde 25ºC a 85ºC también han sido publicadas. El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del 0,3% al 1,5% (dependiendo que el catalizador utilizado sea KOH o NaOH). Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase ester. En la transesterificación, tal y como se comentó anteriormente, cuando se utilizan catalizadores ácidos se requiere temperaturas elevadas y tiempos largos de reacción. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95%. Temperaturas mayores y ratios superiores de alcohol: aceite pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20 minutos y una hora. (Rossi, 22)
Proceso Continuo
Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque agitado, los llamados CSTR del inglés, Continuous Stirred Tank Reactor. Este tipo de reactores puede ser variado en volumen para permitir mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Así, tras la decantación de glicerol en el decantador la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, con un porcentaje del 98% de producto de reacción. Un elemento esencial en el diseño de los reactores CSTR es asegurarse que la mezcla se realiza convenientemente para que la composición en el reactor sea prácticamente constante. Esto tiene el efecto de aumentar la dispersión del glicerol en la fase éster. El resultado es que el tiempo requerido para la separación de fases se incrementa. Existen diversos procesos que utilizan la mezcla intensa para favorecer la reacción de esterificación. (Rossi, 23)
2.2 ¿Cuál es la aplicación del biodiesel, a nivel general pero especialmente en Latinoamérica?
Las mezclas de biodiésel y diésel convencional basada en hidrocarburos son los productos más habitualmente distribuidos para su uso en el mercado del gasóleo al por menor. Gran parte del mundo utiliza un sistema conocido como la "B", factor que indica la cantidad de biodiésel en cualquier mezcla de combustible: el combustible que contiene 20% de biodiésel tiene la etiqueta B20, mientras que el biodiésel puro se denomina B100. Las mezclas c on 80 por ciento de biodiésel y 20 por ciento de diésel de petróleo (B80) se pueden utilizar en general en motores diésel sin modificar. El biodiésel también puede ser utilizado en su forma pura (B100), pero puede requerir algunas modificaciones del motor para evitar problemas de mantenimiento y rendimiento. Las mezclas de biodiésel (B100) con diésel de petróleo se puede realizar por diferentes métodos.
La nueva extrema alta presión (29.000 psi) de los motores tiene límites estrictos de fábrica de B5 o B20, según el fabricante. El biodiesel tiene diferentes propiedades disolventes que el petrodiésel y degradará las juntas de caucho natural y las mangueras en los vehículos (en su mayoría vehículos fabricados antes de 1992), aunque é stos tienden a reemplazarlos reemplazarlos en su mantenimiento normal por lo que es muy probable que ya hayan sido reemplazadas por FKM, que no es reactiva al biodiesel. Se sabe que el biodiesel elimina los depósitos de residuos en las líneas de combustible en las que se ha utilizado el petrodiésel. Como resultado, los filtros de combustible pueden ser obstruidos con partículas si se realiza una transición rápida de biodiesel puro. Por lo tanto, se recomienda cambiar los filtros de combustible en los motores y calentadores poco después de comenzar el cambio a una mezcla de biodiesel biodiesel (Abengoa Bioenergy; Bioenergy; 2006) Algunos estudios afirman que si se usara biodiesel B20 en los hogares, las emisiones de CO2 se reducirían en 1,5 millones de toneladas por año 2.3 ¿Cuál es su posible aplicación y comercialización en el Ecuador, y los factores que afectan su comercialización? comercialización? La producción de biodiesel en Ecuador es incipiente. Una única empresa, La Fabril, realiza la producción y exportación de biodiesel en el país. Sus operaciones iniciaron en el ciclo agrícola 2005-2006 2005-2006 con con aceite de palma para para la materia prima. El biodiesel que se produce en el Ecuador no puede competir con el derivado derivado del petróleo (petrodiésel), (petrodiésel), el cual tiene tiene un fuerte subsidio subsidio del Estado. Se estima estima que su su producción comienza a ser rentable rentable al nivel nivel internacional (competitivo) (competitivo) si el el costo del del barril de petróleo sobrepasa sobrepasa los US$80, es decir, la racionalidad racionalidad económica económica de la producción para exportación exportación de biodiesel se relaciona con: - El precio del petróleo. -El precio de la materia prima (aceite de palma y otras fuentes). -El precio y consumo de combustibles (petrodiésel). -El precio de este último tiene un fuerte subsidio (US$2 600 000/ año) Aspectos económicos: La producción de biodiesel tiene potencial de convertirse en una fuente generadora de empleo agrario/rural, ya que existen aproximadamente 1,5 millones de hectáreas cultivables. También se dispone de pequeños y medianos productores productores en la cadena cadena del aceite de palma, por lo lo que se estima que futuras inversiones podrían podrían generar 43,5 mil mil nuevos empleos.
Aspectos ambientales: En la actividad palmácea se evidencia presión sobre los bosques nativos en algunas zonas del país. Esto ha generado críticas de los sectores ambientalistas, pues Ecuador ocupa el noveno lugar de los países deforestados, debido principalmente a la actividad maderera. A pesar de que los impactos ambientales de la industria aceitera se han venido regulando, aún siguen siendo significativos. Costo de producc p roducción ión de biodiésel: De acuerdo con estimaciones recientes de La Fabril, el costo de producción del biodiésel a partir de la palma aceitera supera los US$1000/t, de los cuales el 76% se debe al costo de la materia materia prima. Es claro que el costo del del biodiésel estará en función función del costo del cultivo cultivo que da origen al aceite vegetal vegetal que se usa en su producción. (Chiliquinga; 2007)
2.4 ¿Cómo se hace el biodiesel de manera artesanal? Utilizando como materia prima aceite de cocina vegetal nuevo. 1. Materiales y utensilios: Un litro de aceite vegetal nuevo, sin cocinar 200 ml de metanol con pureza del 99% Catalizador, que puede ser hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH). Recomendamos KOH porque da mejor resultado Batidora vieja, o mejor un mini-reactor Balanza con 0,1 gr de resolución (mejor aún con una resolución de 0,01 gr) Vasos de medición para el metanol y el a ceite Recipiente de medio litro de HDPE blanco y translúcido y tapa de rosca
Dos embudos que encajen en la boca del recipiente de HDPE, uno para el metanol y otro para la lejía Una botella de dos litros de plástico PET (botella normal de agua o de refresco) para la sedimentación sedimentación Dos botellas de dos litros de plástico PET para el lavado Termómetro Todo tiene que estar limpio y seco. Compra lejía y metanol de calidad a un distribuidor de productos químicos o de material de laboratorio. También es posible comprar lejía de buena calidad a distribuidores de artículos para fabricación de jabón. Aunque el coste unitario parezca caro, al principio hace falta poca cantidad, y merece la pena a cambio de evitar que la mala calidad de los reactivos altere el resultado de la prueba. 2. Lejía ¿Cuánta lejía es necesaria? Si utilizas NaOH (por lo menos 97% de pureza), la catidad necesaria es de 3,5 gramos exactos. Si utilizas KOH la cantidad depende de la pureza: pureza del 99% (poco común), exactamene 4,9 gr (4,90875); 92% (más común), 5,3 gr (5,33); 90%, 5,5 gr (5,454); 85%, 5,8 gr (5,775). Sirve cualquier pureza igual o mayor a 85%. 3. Preparación del metóxido Sigue el método sencillo para preparar metóxido, que es una forma segura de hacerlo. Mide 200 ml de metanol y viértelos con un embudo dentro del recipiende de medio litro de HDPE. el metanol también absorbe humedad del aire, hazlo deprisa y cierra bien la botella del metanol. No le tengas miedo. A temperatura ambiente normal no se evapora suficiente cantidad para suponer un peligro. Añade la lejía al metanol en el recipiente de HDPE, con cuidado, mediante un segundo embudo. Encaja el tapón y enrrosca la tapa encima firmemente. Agita la botella unas pocas veces, de lado lado formando un remolino (no la sacudas en vertical). La botella se calienta durante la reacción. Agitandola bien durante un minuto, a intervalos de cinco o seis minutos, la lejía se disolverá en el metanol formando metóxido de sodio o metóxido de potasio. Puedes empezar el proceso en cuanto se haya disuelto toda la lejía. Cuanto más agites más rápido se disolverá. El NaOH puede tardar en disolverse toda una noche, unas pocas horas, o tan solo media hora, si se agita mucho. Pero no seas impaciente, espera a que se disuelva completamente. El KOH se disuelve en mucho menos tiempo que el NaOH y puede estar listo en diez minutos. Agitando cinco o seis veces tarda media hora. 4. La reacción
Mini-reactor para pruebas Con batidora. Utiliza una batidora vieja o una nueva barata. Recuerda que nunca podrás volver a cocinar con ella. Comprueba que las juntas se encuentren en buen estado (debe ser un modelo con recipiente cerrado), que todas sus piezas estén limpias y secas, y que cierre perfectamente. perfectamente. Precalienta el aceite a 55º C y viertelo dentro de la batidora. Con la máquina aún parada, vierte el metóxido con mucho cuidado. Antes de empezar asegurate de que la tapa esté bien cerrada. Debes mezclar durante veinte o treinta minutos, o un poco más. Es suficiente con una velocidad de giro lenta. 5. Trasvase En cuanto termine la reacción vierte la mezcla en una de las botellas de dos litros y ciérrala. La mezcla se contrae al enfriarse, deformando la botella. Puede que tengas dejar que entre algo de aire después de un rato. 6. Separación
Biodiésel recién hecho, veinte minutos después de la reacción. Déjalo en reposo uno o dos días, o mejor un poco más. La glicerina formará una capa oscura en el fondo claramente separada de la capa de biodiésel que
flota encima, de color claro. El color exacto de estas dos capas depende del aceite empleado. El biodiésel suele ser de color amarillo pálido (más parecido al ambar si está hecho con aceite de cocina usado). El biodiésel puede estar cristalino o turbio, no importa. Si está turbio se aclarará con el tiempo, pero no hace falta esperar. Después de la separación decanta el biodiésel cuidadosamente en un frasco limpio o en una botella de plástico, evitando que entre glicerina en el nuevo recipiente. Si ocurre, dejalo en reposo para que vuelvan a separarse. 7. Calidad Para comprobar la calidad del biodiésel haz la prueba del lavado y la prueba del metanol. Si no pasa las pruebas no te desanimes. Si durante el reposo se ha formado la capa de glicerina en el fondo, ya has conseguido biodiésel. biodiésel. Es normal que los primeros intentos no pasen las pruebas de calidad. Por ejemplo, distintas batidoras y reactores tienen distintas fo rmas y velocidades de giro. Eso afecta al tiempo de reacción, y hay que hacer ajustes. Solo necesitas más práctica, especialmente para medir con exactitud. Asegúrate de que los reactivos que usas son de calidad y de que has seguido las instrucciones al pie de la letra. l etra. 8. Lavado Si la muestra ha pasado las pruebas puedes lavar el resto. Haz el lavado en dos botellas de plástico de dos litros, con medio litro de agua de grifo en cada uno de los tres o cuatro lavados que son necesarios. Haz un agujero de dos milímetros en el fondo de cada botella y t ápalo. Vierte el biodiésel en una de las botellas y añade medio litro de agua limpia. Cierra bien la botella y agitala hasta que formen una mezcla homogénea. Si tienes un mezclador de pinturas lo bastante pequeño y una taladradora de velocidad variable, puedes recortar las botellas y mezclar con la taladradora. Deja que repose por lo menos tres horas. Drena el agua del fondo através del agujero, tapalo con el dedo cuando empieze a salir biodiésel, y trasvasa el combustible a la otra botella para el siguiente lavado. Limpia la botella y tapa el agujero. Debes repetir este proceso tres o cuatro veces. 9. Secado Cuando está translúcido y cristalino ya está seco. Puede que tarde unas horas, o unos días. Si tienes prisa calientalo suavemente hasta 48º C y deja que se enfríe. Así se evapora el agua, déjalo en un recipiente abierto.
Conclusiones. El biodiesel se presenta como una alternativa muy interesante a los gasóleos para lograr los objetivos se han propuesto en lo que se refiere a materia medioambiental y
utilización de energías renovables. Con su uso se podrán reducir de manera importante las emisiones de gases de efecto invernadero y de los que producen las lluvias acidas. Por otro lado el mayor consumo que conlleva el biodiesel así como la menor potencia que proporciona y el alto coste de los cultivos de materia prima, hacen necesaria la intervención estatal para promocionar los biocombustibles. Ésta, no obstante servirá para revitalizar sectores castigados económicamente como la agricultura, creando puestos de trabajo y un nuevo tejido industrial para la producción del biodiesel. Metodología y técnicas de recolección y procesamiento de información: Se utilizó recursos como libros y revistas de diferentes editoriales y temas. Se hizo entrevistas a gente relacionada con el tema. Se buscó información adicional mediante internet.
