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El biodiésel es un biocombustible renovable , una forma de combustible diésel , derivado de fuentes biológicas como aceites vegetales, grasas animales o grasas recicladas, y que consiste en ésteres de ácidos grasos de cadena larga . Generalmente se elabora a partir de grasas. [1] [2] [3]
Los orígenes del biodiésel como fuente de combustible se remontan a cuando J. Patrick y E. Duffy realizaron por primera vez la transesterificación de aceite vegetal en 1853, antes del desarrollo del motor diésel por parte de Rudolf Diesel . [4] El motor de Diesel, diseñado inicialmente para aceite mineral, funcionó con éxito con aceite de cacahuete en la Exposición de París de 1900. Este acontecimiento histórico destacó el potencial de los aceites vegetales como fuente de combustible alternativa. El interés por utilizar aceites vegetales como combustibles resurgió periódicamente, en particular durante períodos de recursos limitados, como la Segunda Guerra Mundial. Sin embargo, desafíos como la alta viscosidad y los depósitos resultantes en el motor fueron obstáculos importantes. La forma moderna de biodiésel surgió en la década de 1930, cuando se encontró un método para transformar los aceites vegetales para su uso como combustible, sentando las bases para la producción contemporánea de biodiésel.
Las propiedades físicas y químicas del biodiésel varían según su fuente y método de producción. La Junta Nacional de Biodiésel de Estados Unidos define el "biodiésel" como un éster monoalquílico. [5] Se ha experimentado con él en locomotoras de ferrocarril y generadores de energía. Generalmente caracterizado por un punto de ebullición y un punto de inflamación más altos que el petrodiésel, el biodiésel es ligeramente miscible con agua y tiene propiedades lubricantes distintivas. Su valor calorífico es aproximadamente un 9% menor que el del diésel estándar, lo que afecta la eficiencia del combustible . La producción de biodiésel ha evolucionado significativamente, con métodos tempranos que incluían el uso directo de aceites vegetales, hasta procesos más avanzados como la transesterificación, que reduce la viscosidad y mejora las propiedades de combustión. Cabe destacar que la producción de biodiésel genera glicerol como subproducto, que tiene sus propias aplicaciones comerciales.
La principal aplicación del biodiésel es en el transporte. Se han hecho esfuerzos para convertirlo en un biocombustible de reemplazo , es decir, compatible con los motores diésel existentes y la infraestructura de distribución. Sin embargo, normalmente se mezcla con petrodiésel , normalmente a menos del 10%, ya que la mayoría de los motores no pueden funcionar con biodiésel puro sin modificaciones. [6] [7] El porcentaje de biodiésel en la mezcla se indica mediante un factor "B". B100 representa biodiésel puro, mientras que mezclas como B20 contienen un 20% de biodiésel, y el resto es petrodiésel tradicional. Estas mezclas ofrecen un compromiso entre los beneficios ambientales del biodiésel y las características de rendimiento del combustible diésel estándar. Las mezclas de biodiésel se pueden utilizar como combustible para calefacción .
El impacto ambiental del biodiésel es complejo y varía en función de factores como el tipo de materia prima, los cambios en el uso de la tierra y los métodos de producción. Si bien puede reducir potencialmente las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con los combustibles fósiles, las preocupaciones sobre el biodiésel incluyen los cambios en el uso de la tierra, la deforestación y el debate sobre alimentos versus combustibles. El debate se centra en el impacto de la producción de biodiésel en los precios y la disponibilidad de alimentos, así como en su huella de carbono general. A pesar de estos desafíos, el biodiésel sigue siendo un componente clave en la estrategia global para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y mitigar los impactos del cambio climático.
Las mezclas de biodiésel y diésel convencional basado en hidrocarburos son las más comúnmente distribuidas para su uso en el mercado minorista de combustible diésel. Gran parte del mundo utiliza un sistema conocido como factor "B" para indicar la cantidad de biodiésel en cualquier mezcla de combustible: [8]
Las mezclas de 20% de biodiésel o menos se pueden utilizar en equipos diésel sin modificaciones o con modificaciones mínimas [9] , aunque algunos fabricantes no extienden la cobertura de la garantía si el equipo resulta dañado por estas mezclas. Las mezclas de B6 a B20 están cubiertas por la especificación ASTM D7467 [10] . El biodiésel también se puede utilizar en su forma pura (B100), pero puede requerir ciertas modificaciones del motor para evitar problemas de mantenimiento y rendimiento [11] . La mezcla de B100 con diésel de petróleo se puede lograr mediante:
El biodiésel tiene una serie de estándares de calidad, entre ellos la norma europea EN 14214 , la ASTM International D6751 y la norma nacional de Canadá CAN/CGSB-3.524.
La norma ASTM D6751 (Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales) detalla las normas y especificaciones para los biodiéseles mezclados con combustibles destilados medios. Esta norma de especificación especifica varios métodos de prueba que se utilizarán para determinar ciertas propiedades de las mezclas de biodiésel. Algunas de las pruebas mencionadas incluyen el punto de inflamación y la viscosidad cinemática.[2]
La transesterificación de un aceite vegetal fue realizada en 1853 por Patrick Duffy, cuatro décadas antes de que el primer motor diésel estuviera en funcionamiento. [12] [13] Los procesos anteriores para fabricar aceite para lámparas fueron patentados (1810, Praga) pero no publicados en publicaciones revisadas por pares. El modelo principal de Rudolf Diesel , un solo cilindro de hierro de 10 pies (3,05 m) con un volante en su base, funcionó con su propia energía por primera vez en Augsburgo , Alemania, el 10 de agosto de 1893 funcionando únicamente con aceite de maní . En recuerdo de este evento, el 10 de agosto ha sido declarado "Día Internacional del Biodiésel". [14]
Se dice a menudo que Diesel diseñó su motor para que funcionara con aceite de cacahuete, pero no es así. Diesel afirmó en sus artículos publicados que "en la Exposición Universal de París de 1900 , la empresa Otto mostró un pequeño motor diésel que, a petición del gobierno francés, funcionaba con aceite de cacahuete (ver biodiésel) y funcionaba tan bien que sólo unas pocas personas lo conocían. El motor se construyó para utilizar aceite mineral y luego se utilizó aceite vegetal sin realizar ninguna modificación. El gobierno francés de la época pensó en probar la aplicabilidad a la producción de energía del aceite de cacahuete, que crece en cantidades considerables en sus colonias africanas y se puede cultivar allí fácilmente". Posteriormente, el propio Diesel realizó pruebas relacionadas y pareció apoyar la idea. [15] En un discurso de 1912, Diesel dijo: "el uso de aceites vegetales como combustible para motores puede parecer insignificante hoy en día, pero dichos aceites pueden llegar a ser, con el transcurso del tiempo, tan importantes como el petróleo y los productos de alquitrán de hulla de la actualidad".
A pesar del uso generalizado de combustibles diésel derivados del petróleo, en varios países se informó sobre el interés por los aceites vegetales como combustibles para motores de combustión interna durante las décadas de 1920 y 1930 y, posteriormente, durante la Segunda Guerra Mundial. Se informó de que Bélgica , Francia, Italia, el Reino Unido, Portugal , Alemania, Brasil , Argentina , Japón y China habían probado y utilizado aceites vegetales como combustibles diésel durante este tiempo. Se informaron algunos problemas operativos debido a la alta viscosidad de los aceites vegetales en comparación con el combustible diésel de petróleo, lo que da como resultado una atomización deficiente del combustible en el aerosol de combustible y, a menudo, conduce a depósitos y coquización de los inyectores, la cámara de combustión y las válvulas. Los intentos de superar estos problemas incluyeron el calentamiento del aceite vegetal, su mezcla con combustible diésel derivado del petróleo o etanol, la pirólisis y el craqueo de los aceites.
El 31 de agosto de 1937, Georges Chavanne, de la Universidad de Bruselas (Bélgica), obtuvo una patente para un "Procedimiento para la transformación de aceites vegetales para su uso como combustibles" (fr. " Procédé de Transformation d'Huiles Végétales en Vue de Leur Utilisation comme Carburants "), patente belga 422.877. Esta patente describía la alcoholisis (a menudo denominada transesterificación) de aceites vegetales utilizando etanol (y menciona el metanol) para separar los ácidos grasos del glicerol reemplazando el glicerol con alcoholes lineales cortos. Este parece ser el primer relato de la producción de lo que hoy se conoce como "biodiesel". [16] Esto es similar (copia) a los métodos patentados utilizados en el siglo XVIII para fabricar aceite de lámpara, y puede estar inspirado en algunas lámparas de aceite históricas antiguas, en algunos lugares.
Más recientemente, en 1977, el científico brasileño Expedito Parente inventó y presentó para patente el primer proceso industrial para la producción de biodiesel. [17] Este proceso está clasificado como biodiesel por las normas internacionales, lo que le confiere una "identidad y calidad estandarizadas. Ningún otro biocombustible propuesto ha sido validado por la industria automotriz". [18] A partir de 2010, la empresa de Parente, Tecbio, está trabajando con Boeing y la NASA para certificar el bioqueroseno (bioqueroseno), otro producto producido y patentado por el científico brasileño. [19]
En 1979 se inició en Sudáfrica la investigación sobre el uso de aceite de girasol transesterificado y su refinación para cumplir con los estándares del combustible diésel. En 1983, se completó y publicó internacionalmente el proceso para producir biodiésel de calidad de combustible y probado para motores. [20] Una empresa austriaca, Gaskoks, obtuvo la tecnología de los Ingenieros Agrícolas Sudafricanos; la empresa construyó la primera planta piloto de biodiésel en noviembre de 1987 y la primera planta a escala industrial en abril de 1989 (con una capacidad de 30.000 toneladas de colza al año).
Durante la década de 1990, se abrieron plantas en muchos países europeos, entre ellos la República Checa , Alemania y Suecia . Francia lanzó la producción local de combustible biodiesel (denominado diéster ) a partir de aceite de colza, que se mezcla con el combustible diésel normal a un nivel del 5%, y con el combustible diésel utilizado por algunas flotas cautivas (por ejemplo, el transporte público ) a un nivel del 30%. Renault , Peugeot y otros fabricantes han certificado motores de camiones para su uso con hasta ese nivel de biodiesel parcial; se están realizando experimentos con biodiesel al 50%. Durante el mismo período, las naciones de otras partes del mundo también vieron el inicio de la producción local de biodiesel: en 1998, el Instituto de Biocombustibles de Austria había identificado 21 países con proyectos comerciales de biodiesel. El 100% de biodiesel está ahora disponible en muchas estaciones de servicio normales en toda Europa.
El color del biodiésel varía de transparente a dorado o marrón oscuro, dependiendo del método de producción y la materia prima utilizada para fabricar el combustible. Esto también cambia las propiedades del combustible resultante. [21] En general, el biodiésel es ligeramente miscible con agua, tiene un punto de ebullición alto y una presión de vapor baja . El punto de inflamación del biodiésel puede superar los 130 °C (266 °F), [22] significativamente más alto que el del diésel de petróleo, que puede ser tan bajo como 52 °C (126 °F). [23] [24] El biodiésel tiene una densidad de alrededor de ~0,88 g/cm 3 , más alta que el petrodiésel (~0,85 g/cm 3 ). [23] [24]
El valor calorífico del biodiésel es de aproximadamente 37,27 MJ/kg. [25] Esto es un 9% más bajo que el petrodiésel número 2 regular. Las variaciones en la densidad energética del biodiésel dependen más de la materia prima utilizada que del proceso de producción. Aun así, estas variaciones son menores que en el caso del petrodiésel. [26] Se ha afirmado que el biodiésel proporciona una mejor lubricidad y una combustión más completa, lo que aumenta la producción de energía del motor y compensa parcialmente la mayor densidad energética del petrodiésel. [27]
El biodiésel también contiene prácticamente nada de azufre [28] y, aunque carece de compuestos de azufre que en el petrodiésel proporcionan gran parte de la lubricidad, tiene propiedades lubricantes prometedoras y índices de cetano en comparación con los combustibles diésel con bajo contenido de azufre y, a menudo, sirve como aditivo para el combustible diésel con contenido ultrabajo de azufre (ULSD) para ayudar con la lubricación. [29] Los combustibles biodiésel con mayor lubricidad pueden aumentar la vida útil del equipo de inyección de combustible de alta presión que depende del combustible para su lubricación. Dependiendo del motor, esto podría incluir bombas de inyección de alta presión, inyectores de bomba (también llamados inyectores unitarios ) e inyectores de combustible .
El biodiésel se puede utilizar en forma pura (B100) o se puede mezclar con diésel de petróleo en cualquier concentración en la mayoría de los motores diésel con bomba de inyección. Los nuevos motores common rail de presión extremadamente alta (29.000 psi) tienen límites estrictos de fábrica de B5 o B20, según el fabricante. [30] El biodiésel tiene propiedades disolventes diferentes a las del petrodiésel y degradará las juntas y mangueras de caucho natural de los vehículos (principalmente los fabricados antes de 1992), aunque estos tienden a desgastarse de forma natural y lo más probable es que ya hayan sido reemplazados por FKM , que no reacciona al biodiésel. Se sabe que el biodiésel descompone los depósitos de residuos en las líneas de combustible donde se ha utilizado petrodiésel. [31] Como resultado, los filtros de combustible pueden obstruirse con partículas si se realiza una transición rápida al biodiésel puro. Por lo tanto, se recomienda cambiar los filtros de combustible de los motores y los calentadores poco después de cambiar por primera vez a una mezcla de biodiésel. [32]
Desde la aprobación de la Ley de Política Energética de 2005 , el uso de biodiésel ha ido aumentando en los Estados Unidos. [33] En el Reino Unido, la Obligación de Combustible Renovable para el Transporte obliga a los proveedores a incluir un 5% de combustible renovable en todo el combustible para transporte vendido en el Reino Unido para el año 2010. Para el diésel de carretera, esto significa efectivamente un 5% de biodiésel (B5).
En 2005, Chrysler (en aquel entonces parte de DaimlerChrysler) lanzó los motores diésel Jeep Liberty CRD de fábrica al mercado europeo con mezclas de biodiésel al 5%, lo que indica una aceptación al menos parcial del biodiésel como aditivo aceptable para combustible diésel. [34] En 2007, DaimlerChrysler indicó su intención de aumentar la cobertura de la garantía a mezclas de biodiésel al 20% si se puede estandarizar la calidad del biocombustible en los Estados Unidos. [35]
El Grupo Volkswagen ha publicado un comunicado indicando que varios de sus vehículos son compatibles con los biodiesels B5 y B100, fabricados a partir de aceite de colza , y que cumplen la norma EN 14214. El uso del tipo de biodiésel especificado en sus vehículos no anulará ninguna garantía. [36]
Mercedes-Benz no permite combustibles diésel que contengan más de un 5 % de biodiésel (B5) debido a preocupaciones sobre "deficiencias de producción". [37] Los daños causados por el uso de dichos combustibles no aprobados no estarán cubiertos por la garantía limitada de Mercedes-Benz.
A partir de 2004, la ciudad de Halifax, Nueva Escocia, decidió actualizar su sistema de autobuses para permitir que la flota de autobuses urbanos funcionara completamente con biodiésel a base de aceite de pescado. Esto causó a la ciudad algunos problemas mecánicos iniciales, pero después de varios años de refinación, toda la flota se había convertido con éxito. [38] [39] [40]
En 2007, McDonald's del Reino Unido anunció que comenzaría a producir biodiésel a partir del aceite usado que se obtiene de sus restaurantes. Este combustible se utilizaría para el funcionamiento de su flota. [41]
El Chevy Cruze Clean Turbo Diesel 2014, directamente de fábrica, tendrá una clasificación de compatibilidad con biodiésel de hasta B20 (mezcla de 20 % biodiésel / 80 % diésel regular) [42].
La empresa ferroviaria británica Virgin Trains West Coast afirmó haber operado el primer "tren de biodiésel" del Reino Unido, cuando un tren Clase 220 fue transformado para funcionar con un 80% de petrodiésel y un 20% de biodiésel. [43] [44]
El 15 de septiembre de 2007, el tren real británico completó su primer viaje con combustible 100% biodiésel suministrado por Green Fuels Ltd. El príncipe Carlos y el director general de Green Fuels, James Hygate, fueron los primeros pasajeros de un tren propulsado íntegramente con biodiésel. Desde 2007, el tren real ha funcionado con éxito con B100 (100% biodiésel). [45] Un libro blanco del gobierno también propuso convertir grandes partes de los ferrocarriles del Reino Unido a biodiésel, pero la propuesta fue posteriormente abandonada en favor de una mayor electrificación. [46]
De manera similar, un ferrocarril estatal de corta distancia en el este de Washington realizó una prueba de una mezcla de 25% de biodiésel y 75% de petrodiésel durante el verano de 2008, comprando combustible a un productor de biodiésel ubicado a lo largo de las vías del tren. [47] El tren será propulsado por biodiésel producido en parte a partir de canola cultivada en regiones agrícolas por las que pasa la línea corta.
También en 2007, Disneyland comenzó a utilizar B98 (98% de biodiésel) en sus trenes. El programa se interrumpió en 2008 debido a problemas de almacenamiento, pero en enero de 2009 se anunció que el parque utilizaría biodiésel fabricado a partir de sus propios aceites de cocina usados en todos sus trenes. Esto supone un cambio con respecto a la utilización de biodiésel a base de soja. [48]
En 2007, el histórico ferrocarril de cremallera del monte Washington incorporó la primera locomotora de biodiésel a su flota de locomotoras de vapor. La flota ha subido las laderas occidentales del monte Washington en New Hampshire desde 1868 con un desnivel máximo de 37,4 grados. [49]
En 2009, Grand Canyon Railway comenzó a hacer funcionar la locomotora 4960 con aceite de cocina usado.
El 8 de julio de 2014, [50] el entonces Ministro de Ferrocarriles de la India, DV Sadananda Gowda, anunció en el Presupuesto Ferroviario que se utilizaría un 5% de biodiésel en los motores diésel de los Ferrocarriles de la India. [51]
El biodiésel también se puede utilizar como combustible para calefacción en calderas domésticas y comerciales, una mezcla de combustible para calefacción y biocombustible que está estandarizada y gravada de forma ligeramente diferente al combustible diésel utilizado para el transporte. El combustible Bioheat es una mezcla patentada de biodiésel y combustible para calefacción tradicional. Bioheat es una marca registrada de la National Biodiesel Board [NBB] y la National Oilheat Research Alliance [NORA] en los Estados Unidos, y de Columbia Fuels en Canadá. [52] El biodiésel para calefacción está disponible en varias mezclas. La norma ASTM 396 reconoce las mezclas de hasta un 5 por ciento de biodiésel como equivalentes al combustible para calefacción de petróleo puro. Muchos consumidores utilizan mezclas de niveles más altos de hasta un 20% de biocombustible. Se están realizando investigaciones para determinar si dichas mezclas afectan el rendimiento.
Los hornos más antiguos pueden contener piezas de goma que se verían afectadas por las propiedades disolventes del biodiésel, pero pueden quemar biodiésel sin necesidad de ninguna conversión. Se debe tener cuidado, ya que los barnices que deja el petrodiésel se liberarán y pueden obstruir las tuberías; es necesario filtrar el combustible y reemplazar rápidamente el filtro. Otro enfoque es comenzar a usar biodiésel como mezcla, y disminuir la proporción de petróleo con el tiempo puede permitir que los barnices se desprendan más gradualmente y sea menos probable que se obstruyan. Debido a las fuertes propiedades disolventes del biodiésel, el horno se limpia y, en general, se vuelve más eficiente. [53]
Una ley aprobada durante el gobierno de Deval Patrick en Massachusetts exige que todo el diésel para calefacción de los hogares de ese estado tenga un 2% de biocombustible a partir del 1 de julio de 2010, y un 5% de biocombustible a partir de 2013. [54] La ciudad de Nueva York ha aprobado una ley similar.
Dado que entre el 80% y el 90% de los costos de los derrames de petróleo se invierten en la limpieza de las costas, se buscan métodos más eficientes y rentables para extraer los derrames de petróleo de las costas. [55] El biodiésel ha demostrado su capacidad para disolver significativamente el petróleo crudo, dependiendo de la fuente de los ácidos grasos. En un entorno de laboratorio, se rociaron sedimentos contaminados que simulaban costas contaminadas con una sola capa de biodiésel y se expusieron a mareas simuladas. [56] El biodiésel es un disolvente eficaz del petróleo debido a su componente de éster metílico, que reduce considerablemente la viscosidad del petróleo crudo. Además, tiene una mayor flotabilidad que el petróleo crudo, lo que posteriormente ayuda a su eliminación. Como resultado, se eliminó el 80% del petróleo de los guijarros y la arena fina, el 50% de la arena gruesa y el 30% de la grava. Una vez que se libera el petróleo de la costa, la mezcla de petróleo y biodiésel se retira manualmente de la superficie del agua con separadores. Cualquier mezcla restante se descompone fácilmente debido a la alta biodegradabilidad del biodiésel y a la mayor exposición de la superficie de la mezcla.
En 2001, la Universidad de California en Riverside instaló un sistema de energía de reserva de 6 megavatios que funciona completamente con biodiésel. Los generadores de reserva alimentados con diésel permiten a las empresas evitar apagones perjudiciales en operaciones críticas a costa de altos índices de contaminación y emisiones. Al utilizar B100, estos generadores pudieron eliminar esencialmente los subproductos que dan lugar a emisiones de smog, ozono y azufre. [57] El uso de estos generadores en áreas residenciales alrededor de escuelas, hospitales y el público en general da como resultado reducciones sustanciales en monóxido de carbono venenoso y material particulado. [58]
La potencia de salida del biodiésel depende de su mezcla, calidad y condiciones de carga bajo las cuales se quema el combustible. La eficiencia térmica , por ejemplo, del B100 en comparación con el B20 variará debido al diferente contenido energético de las distintas mezclas. La eficiencia térmica de un combustible se basa en parte en las características del combustible, como: viscosidad , densidad específica y punto de inflamación ; estas características cambiarán a medida que varíen las mezclas y la calidad del biodiésel. La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales ha establecido estándares para juzgar la calidad de una muestra de combustible determinada. [59]
Un estudio concluyó que la eficiencia térmica de frenado del B40 era superior a la de su contraparte tradicional a base de petróleo en relaciones de compresión más altas (esta mayor eficiencia térmica de frenado se registró en relaciones de compresión de 21:1). Se observó que, a medida que aumentaban las relaciones de compresión, aumentaba la eficiencia de todos los tipos de combustible (así como de las mezclas que se estaban probando); aunque se descubrió que una mezcla de B40 era la más económica en una relación de compresión de 21:1 sobre todas las demás mezclas. El estudio dio a entender que este aumento en la eficiencia se debía a la densidad del combustible, la viscosidad y los valores caloríficos de los combustibles. [60]
Los sistemas de combustible de algunos motores diésel modernos no fueron diseñados para admitir biodiésel, mientras que muchos motores de servicio pesado pueden funcionar con mezclas de biodiésel de hasta B20. [6] Los sistemas de combustible de inyección directa tradicionales funcionan a aproximadamente 3000 psi en la punta del inyector, mientras que el sistema de combustible common rail moderno funciona a más de 30 000 PSI en la punta del inyector. Los componentes están diseñados para funcionar en un amplio rango de temperaturas, desde bajo cero hasta más de 1000 °F (560 °C). Se espera que el combustible diésel se queme de manera eficiente y produzca la menor cantidad posible de emisiones. A medida que se introducen estándares de emisiones en los motores diésel, la necesidad de controlar las emisiones nocivas se está diseñando en los parámetros de los sistemas de combustible de los motores diésel. El sistema de inyección en línea tradicional es más tolerante con los combustibles de menor calidad en comparación con el sistema de combustible common rail. Las presiones más altas y las tolerancias más estrictas del sistema common rail permiten un mayor control sobre la atomización y el tiempo de inyección. Este control de la atomización, así como de la combustión, permite una mayor eficiencia de los motores diésel modernos, así como un mayor control sobre las emisiones. Los componentes de un sistema de combustible diésel interactúan con el combustible de manera que se garantice el funcionamiento eficiente del sistema de combustible y, por lo tanto, del motor. Si se introduce un combustible que no cumple con las especificaciones en un sistema que tiene parámetros de funcionamiento específicos, puede verse comprometida la integridad del sistema de combustible en general. Algunos de estos parámetros, como el patrón de pulverización y la atomización, están directamente relacionados con el momento de la inyección. [61]
Un estudio encontró que durante la atomización, el biodiesel y sus mezclas produjeron gotas de mayor diámetro que las gotas producidas por el petrodiesel tradicional. Las gotas más pequeñas se atribuyeron a la menor viscosidad y tensión superficial del combustible diésel tradicional. Se encontró que las gotas en la periferia del patrón de rociado eran más grandes en diámetro que las gotas en el centro. Esto se atribuyó a la caída de presión más rápida en el borde del patrón de rociado; hubo una relación proporcional entre el tamaño de la gota y la distancia desde la punta del inyector. Se encontró que B100 tuvo la mayor penetración de rociado, esto se atribuyó a la mayor densidad de B100. [62] Tener un mayor tamaño de gota puede conducir a ineficiencias en la combustión, aumento de emisiones y disminución de caballos de fuerza. En otro estudio se encontró que hay un breve retraso de inyección al inyectar biodiesel. Este retraso de inyección se atribuyó a la mayor viscosidad del biodiesel. Se observó que la mayor viscosidad y el mayor índice de cetano del biodiésel en comparación con el petrodiésel tradicional conducen a una atomización deficiente, así como a una penetración de la mezcla con aire durante el período de retardo de ignición. [63] Otro estudio señaló que este retraso de ignición puede ayudar a reducir las emisiones de NOx . [64]
Las emisiones son inherentes a la combustión de combustibles diésel que están regulados por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ( EPA ). Como estas emisiones son un subproducto del proceso de combustión, para garantizar el cumplimiento de la EPA, un sistema de combustible debe ser capaz de controlar la combustión de combustibles, así como la mitigación de emisiones. Hay una serie de nuevas tecnologías que se están implementando gradualmente para controlar la producción de emisiones diésel. El sistema de recirculación de gases de escape , EGR, y el filtro de partículas diésel , DPF, están diseñados para mitigar la producción de emisiones nocivas. [65]
La materia prima utilizada para fabricar el combustible biodiésel puede alterar significativamente las emisiones de gases de escape y de partículas resultantes, [66] [67] incluso cuando se mezcla con combustible diésel comercial. [68] Un estudio realizado por la Universidad Nacional de Chonbuk concluyó que una mezcla de biodiésel B30 redujo las emisiones de monóxido de carbono en aproximadamente un 83% y las emisiones de partículas en aproximadamente un 33%. Sin embargo, se encontró que las emisiones de NOx aumentaron sin la aplicación de un sistema EGR. El estudio también concluyó que, con EGR, una mezcla de biodiésel B20 redujo considerablemente las emisiones del motor. [69] Además, el análisis de la Junta de Recursos del Aire de California encontró que el biodiésel tenía las emisiones de carbono más bajas de los combustibles probados, siendo estos el diésel con contenido ultra bajo de azufre , la gasolina, el etanol a base de maíz , el gas natural comprimido y cinco tipos de biodiésel de diferentes materias primas. Sus conclusiones también mostraron una gran variación en las emisiones de carbono del biodiésel en función de la materia prima utilizada. De la soja , el sebo , la canola , el maíz y el aceite de cocina usado , la soja mostró las mayores emisiones de carbono, mientras que el aceite de cocina usado produjo las menores. [70]
Al estudiar el efecto del biodiesel en los filtros de partículas diésel , se encontró que aunque la presencia de carbonatos de sodio y potasio ayudaba en la conversión catalítica de cenizas, a medida que las partículas diésel se catalizan, pueden congregarse dentro del DPF y así interferir con las holguras del filtro. [ aclaración necesaria ] Esto puede hacer que el filtro se obstruya e interfiera con el proceso de regeneración. [71] En un estudio sobre el impacto de las tasas de EGR con mezclas de biodiesel de jathropa se demostró que hubo una disminución en la eficiencia del combustible y la salida de torque debido al uso de biodiesel en un motor diésel diseñado con un sistema EGR. Se encontró que las emisiones de CO y CO 2 aumentaron con un aumento en la recirculación de gases de escape, pero los niveles de NO x disminuyeron. El nivel de opacidad de las mezclas de jathropa estaba en un rango aceptable, donde el diésel tradicional estaba fuera de los estándares aceptables. Se demostró que se podía obtener una disminución en las emisiones de Nox con un sistema EGR. Este estudio mostró una ventaja sobre el diésel tradicional dentro de un cierto rango operativo del sistema EGR. [72]
A partir de 2017, los combustibles biodiésel mezclados (especialmente B5, B8 y B20) se utilizan regularmente en muchos vehículos pesados, especialmente autobuses de transporte público en las ciudades de EE. UU. La caracterización de las emisiones de escape mostró reducciones significativas de emisiones en comparación con el diésel común. [6]
El biodiésel se produce comúnmente mediante la transesterificación de la materia prima de aceite vegetal o grasa animal y otras materias primas no comestibles como aceite para freír, etc. Existen varios métodos para llevar a cabo esta reacción de transesterificación, incluido el proceso por lotes común, catalizadores heterogéneos, [74] procesos supercríticos, métodos ultrasónicos e incluso métodos de microondas.
Químicamente, el biodiesel transesterificado comprende una mezcla de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga . La forma más común utiliza metanol (convertido a metóxido de sodio) para producir ésteres metílicos (comúnmente conocidos como ésteres metílicos de ácidos grasos - FAME) ya que es el alcohol más barato disponible, aunque el etanol se puede utilizar para producir un biodiesel de éster etílico (comúnmente conocido como éster etílico de ácidos grasos - FAEE) y también se han utilizado alcoholes superiores como el isopropanol y el butanol . El uso de alcoholes de pesos moleculares más altos mejora las propiedades de flujo en frío del éster resultante, a costa de una reacción de transesterificación menos eficiente. Se utiliza un proceso de producción de transesterificación de lípidos para convertir el aceite base en los ésteres deseados. Cualquier ácido graso libre (FFA) en el aceite base se convierte en jabón y se elimina del proceso, o se esterifica (lo que produce más biodiesel) utilizando un catalizador ácido. Después de este procesamiento, a diferencia del aceite vegetal puro , el biodiésel tiene propiedades de combustión muy similares a las del diésel de petróleo, y puede sustituirlo en la mayoría de los usos actuales.
El metanol utilizado en la mayoría de los procesos de producción de biodiésel se produce a partir de combustibles fósiles. Sin embargo, existen fuentes de metanol renovable que se obtienen a partir de dióxido de carbono o biomasa como materia prima, lo que hace que sus procesos de producción estén libres de combustibles fósiles. [75]
Un subproducto del proceso de transesterificación es la producción de glicerol . Por cada tonelada de biodiésel que se fabrica, se producen 100 kg de glicerol. Originalmente, existía un mercado valioso para el glicerol, que ayudaba a la economía del proceso en su conjunto. Sin embargo, con el aumento de la producción mundial de biodiésel, el precio de mercado de este glicerol crudo (que contiene un 20% de agua y residuos de catalizador) se ha desplomado. Se están realizando investigaciones a nivel mundial para utilizar este glicerol como un componente químico básico (véase el intermedio químico en el artículo de Wikipedia " Glicerol "). Una iniciativa en el Reino Unido es The Glycerol Challenge. [76]
Por lo general, este glicerol crudo debe purificarse, generalmente mediante una destilación al vacío, lo que consume mucha energía. El glicerol refinado (con una pureza del 98 % o superior) se puede utilizar directamente o convertir en otros productos. En 2007 se hicieron los siguientes anuncios: una empresa conjunta de Ashland Inc. y Cargill anunció planes para fabricar propilenglicol en Europa a partir de glicerol [77] y Dow Chemical anunció planes similares para América del Norte [78] . Dow también planea construir una planta en China para fabricar epiclorhidrina a partir de glicerol [79] . La epiclorhidrina es una materia prima para las resinas epoxi .
La producción mundial de biodiésel alcanzó los 3,8 millones de toneladas en 2005. Aproximadamente el 85% de la producción de biodiésel provino de la Unión Europea. [ cita requerida ] [80]
En 2007, la capacidad de producción de biodiésel estaba creciendo rápidamente, con una tasa media de crecimiento anual de 2002 a 2006 de más del 40%. [81] Para el año 2006, el último para el que se pudieron obtener cifras reales de producción, la producción mundial total de biodiésel fue de alrededor de 5-6 millones de toneladas, con 4,9 millones de toneladas procesadas en Europa (de las cuales 2,7 millones de toneladas eran de Alemania) y la mayor parte del resto de los EE.UU. En 2008, la producción en Europa solamente había aumentado a 7,8 millones de toneladas. [82] En julio de 2009, se añadió un arancel al biodiésel importado de Estados Unidos en la Unión Europea con el fin de equilibrar la competencia de los productores europeos, especialmente alemanes. [83] [84] La capacidad para 2008 en Europa ascendió a un total de 16 millones de toneladas. Esto se compara con una demanda total de diésel en los EE.UU. y Europa de aproximadamente 490 millones de toneladas (147 mil millones de galones). [85] La producción mundial total de aceite vegetal para todos los propósitos en 2005-06 fue de alrededor de 110 millones de toneladas, con alrededor de 34 millones de toneladas de aceite de palma y aceite de soja . [86] En 2018, Indonesia es el principal proveedor mundial de biocombustible a base de aceite de palma con una producción anual de 3,5 millones de toneladas, [87] [88] y se espera que exporte alrededor de 1 millón de toneladas de biodiésel. [89]
La producción de biodiésel en Estados Unidos en 2011 marcó un nuevo hito para la industria. En virtud de la Norma de Combustibles Renovables de la EPA, se han establecido objetivos para las plantas de producción de biodiésel con el fin de controlar y documentar los niveles de producción en comparación con la demanda total. Según los datos de fin de año publicados por la EPA, la producción de biodiésel en 2011 alcanzó más de 1.000 millones de galones. Esta cifra de producción superó con creces el objetivo de 800 millones de galones establecido por la EPA. La producción proyectada para 2020 es de casi 12.000 millones de galones. [90]
Se pueden utilizar distintos aceites para producir biodiésel, entre ellos:
Muchos defensores sugieren que el aceite vegetal usado es la mejor fuente de aceite para producir biodiesel, pero como el suministro disponible es drásticamente menor que la cantidad de combustible derivado del petróleo que se quema para el transporte y la calefacción de los hogares en el mundo, esta solución local no podría escalar al ritmo actual de consumo.
Las grasas animales son un subproducto de la producción y cocción de carne. Aunque no sería eficiente criar animales (o pescar) simplemente por su grasa, el uso del subproducto agrega valor a la industria ganadera (cerdos, ganado vacuno, aves de corral). Hoy en día, las instalaciones de biodiésel de múltiples materias primas están produciendo biodiésel de alta calidad basado en grasa animal. [96] [97] Actualmente, se está construyendo una planta de 5 millones de dólares en los EE. UU., con la intención de producir 11,4 millones de litros (3 millones de galones) de biodiésel a partir de parte de los mil millones de kg (2,2 mil millones de libras) de grasa de pollo [98] que se estima que se producen anualmente en la planta avícola local de Tyson. [92] De manera similar, algunas fábricas de biodiésel a pequeña escala utilizan aceite de pescado de desecho como materia prima. [99] [100] Un proyecto financiado por la UE (ENERFISH) sugiere que en una planta vietnamita para producir biodiésel a partir de bagre (basa, también conocido como pangasius), se puede producir una producción de 13 toneladas/día de biodiésel a partir de 81 toneladas de desechos de pescado (que a su vez resultan de 130 toneladas de pescado). Este proyecto utiliza el biodiésel para alimentar una unidad de cogeneración en la planta de procesamiento de pescado, principalmente para alimentar la planta de congelación de pescado. [101]
La producción mundial actual de aceite vegetal y grasa animal no es suficiente para reemplazar el uso de combustibles fósiles líquidos. Además, algunos se oponen a la enorme cantidad de agricultura y la consiguiente fertilización , uso de pesticidas y conversión del uso de la tierra que se necesitarían para producir el aceite vegetal adicional. [102] Las ventajas de las algas son que se pueden cultivar en tierras no cultivables, como desiertos o en entornos marinos, y los rendimientos potenciales de aceite son mucho mayores que los de las plantas.
La eficiencia del rendimiento de la materia prima por unidad de área afecta la viabilidad de aumentar la producción a los enormes niveles industriales necesarios para alimentar un porcentaje significativo de vehículos.
Los rendimientos de combustible de las algas aún no se han determinado con precisión, pero se informa que el DOE dice que las algas producen 30 veces más energía por acre que los cultivos terrestres como la soja. [104] Ami Ben-Amotz del Instituto de Oceanografía de Haifa , que ha estado cultivando algas comercialmente durante más de 20 años, considera que los rendimientos de 36 toneladas/hectárea son prácticos . [105]
La jatropha ha sido citada como una fuente de alto rendimiento de biodiesel, pero los rendimientos dependen en gran medida de las condiciones climáticas y del suelo. Las estimaciones más bajas sitúan el rendimiento en alrededor de 200 galones estadounidenses por acre (1,5-2 toneladas por hectárea) por cultivo; en climas más favorables se han logrado dos o más cosechas por año. [106] Se cultiva en Filipinas , Malí y la India , es resistente a la sequía y puede compartir espacio con otros cultivos comerciales como el café, el azúcar, las frutas y las verduras. [107] Se adapta bien a las tierras semiáridas y puede contribuir a frenar la desertificación , según sus defensores. [108]
La transición total a los biocombustibles podría requerir inmensas extensiones de tierra si se utilizan cultivos alimentarios tradicionales (aunque también se pueden utilizar cultivos no alimentarios ). El problema sería especialmente grave para los países con grandes economías, ya que el consumo de energía aumenta con la producción económica. [109]
Para los países del tercer mundo , las fuentes de biodiésel que utilizan tierras marginales podrían tener más sentido; por ejemplo, las nueces de pongam cultivadas a lo largo de las carreteras o la jatropha cultivada a lo largo de las líneas ferroviarias. [110]
En regiones tropicales como Malasia e Indonesia, se están plantando rápidamente plantas que producen aceite de palma para satisfacer la creciente demanda de biodiésel en Europa y otros mercados. Los científicos han demostrado que la eliminación de la selva tropical para plantaciones de palma no es ecológicamente racional, ya que la expansión de las plantaciones de palma aceitera plantea una amenaza a la selva tropical natural y a la biodiversidad. [111]
En Alemania se ha estimado que el diésel de aceite de palma tiene menos de un tercio de los costos de producción del biodiésel de colza. [112]
En Estados Unidos, se informó que en 2018 la producción de biodiésel generó más de 64.000 puestos de trabajo. [90] El crecimiento del biodiésel también contribuye a aumentar significativamente el PIB. En 2011, el biodiésel generó más de 3.000 millones de dólares en PIB. [113]
Uno de los principales factores que impulsan la adopción del biodiésel es la seguridad energética . Esto significa que se reduce la dependencia de un país del petróleo y se la sustituye por el uso de fuentes disponibles localmente, como el carbón, el gas o las fuentes renovables. De este modo, un país puede beneficiarse de la adopción de biocombustibles sin que se reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero. Si bien se debate el balance energético total, está claro que se reduce la dependencia del petróleo. Un ejemplo es la energía utilizada para fabricar fertilizantes, que podría provenir de una variedad de fuentes distintas del petróleo. El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de los Estados Unidos afirma que la seguridad energética es la principal fuerza impulsora del programa de biocombustibles de los Estados Unidos [114] , y un documento de la Casa Blanca titulado "Seguridad energética para el siglo XXI" deja claro que la seguridad energética es una de las principales razones para promover el biodiésel [115] . El ex presidente de la Comisión Europea, José Manuel Barroso, hablando en una reciente conferencia sobre biocombustibles de la UE, destacó que los biocombustibles gestionados adecuadamente tienen el potencial de reforzar la seguridad de suministro de la UE mediante la diversificación de las fuentes de energía [116] .
Muchos países de todo el mundo están utilizando y produciendo cada vez más biocombustibles, como el biodiésel, como fuente de energía alternativa a los combustibles fósiles y al petróleo. Para fomentar la industria de los biocombustibles, los gobiernos han implementado leyes y leyes que incentivan la reducción de la dependencia del petróleo y el aumento del uso de energías renovables. [117] Muchos países tienen sus propias políticas independientes en materia de impuestos y devoluciones sobre el uso, la importación y la producción de biodiésel.
La Ley de Protección Ambiental Canadiense, en su proyecto de ley C-33, exigía que para 2010 la gasolina contuviera un 5% de contenido renovable y que para 2013 el diésel y el combustible para calefacción contuvieran un 2% de contenido renovable. [117] El Programa EcoENERGY para Biocombustibles subvencionó la producción de biodiésel, entre otros biocombustibles, mediante una tasa de incentivo de 0,20 dólares canadienses por litro entre 2008 y 2010. Se aplicará una reducción de 0,04 dólares cada año a partir de entonces, hasta que la tasa de incentivo alcance los 0,06 dólares en 2016. Las provincias individuales también tienen medidas legislativas específicas en relación con el uso y la producción de biocombustibles. [118]
El Crédito Fiscal al Consumo de Etanol Volumétrico (VEETC, por sus siglas en inglés) fue la principal fuente de apoyo financiero para los biocombustibles, pero estaba previsto que expirara en 2010. Mediante esta ley, la producción de biodiésel garantizaba un crédito fiscal de 1 dólar por galón producido a partir de aceites vírgenes y 0,50 dólares por galón elaborado a partir de aceites reciclados. [119] Actualmente, el aceite de soja se utiliza para producir biodiésel de soja para muchos fines comerciales, como la mezcla de combustible para los sectores del transporte. [6]
La Unión Europea es el mayor productor de biodiésel, siendo Francia y Alemania los principales productores. Para aumentar el uso de biodiésel, existen políticas que exigen la mezcla de biodiésel en los combustibles, incluidas sanciones si no se alcanzan esas tasas. En Francia, el objetivo era alcanzar el 10% de integración, pero los planes para lograrlo se detuvieron en 2010. [117] Como incentivo para que los países de la Unión Europea sigan produciendo el biocombustible, existen devoluciones de impuestos para cuotas específicas de biocombustible producido. En Alemania, el porcentaje mínimo de biodiésel en el diésel para transporte está fijado en el 7%, lo que se denomina "B7".
Malasia planea implementar su adopción a nivel nacional del programa de biocombustible de aceite de palma B20 para fines de 2022. El mandato para fabricar biocombustible con un componente de aceite de palma del 20%, conocido como B20, para el sector del transporte se implementó por primera vez en enero de 2020, pero enfrentó retrasos debido a las restricciones de movimiento impuestas para contener los brotes de coronavirus. [120]
Hasta el 40% del maíz producido en los Estados Unidos se utiliza para fabricar etanol, [121] y a nivel mundial el 10% de todo el grano se convierte en biocombustible. [122] Una reducción del 50% en el grano utilizado para biocombustibles en los Estados Unidos y Europa reemplazaría todas las exportaciones de grano de Ucrania . [123]
En algunos países pobres, el aumento del precio del aceite vegetal está causando problemas. [124] [125] Algunos proponen que el combustible se fabrique únicamente a partir de aceites vegetales no comestibles, como la camelina , la jatropha o la malva marina [126], que pueden prosperar en tierras agrícolas marginales donde muchos árboles y cultivos no crecerían o producirían sólo rendimientos bajos.
Otros sostienen que el problema es más fundamental. Los agricultores pueden pasar de producir alimentos a producir cultivos para biocombustibles para ganar más dinero, incluso si los nuevos cultivos no son comestibles. [127] [128] La ley de la oferta y la demanda predice que si menos agricultores producen alimentos, el precio de los alimentos aumentará. Puede que esto lleve algún tiempo, ya que los agricultores pueden tardar un tiempo en cambiar los productos que cultivan, pero es probable que la creciente demanda de biocombustibles de primera generación resulte en aumentos de precios para muchos tipos de alimentos. Algunos han señalado que hay agricultores pobres y países pobres que están ganando más dinero debido al mayor precio del aceite vegetal. [129]
El biodiesel elaborado a partir de algas marinas no necesariamente desplazaría las tierras terrestres actualmente utilizadas para la producción de alimentos y podrían crearse nuevos empleos en el cultivo de algas .
A modo de comparación, cabe mencionar que la producción de biogás utiliza residuos agrícolas para generar un biocombustible conocido como biogás, y también produce compost , mejorando así la agricultura, la sostenibilidad y la producción de alimentos.
El aumento del interés por los biodiéseles ha puesto de relieve una serie de efectos ambientales asociados a su uso, entre los que se incluyen reducciones en las emisiones de gases de efecto invernadero , [130] la deforestación , la contaminación y la tasa de biodegradación .
Según el Análisis del Impacto Regulatorio del Programa de Estándares de Combustibles Renovables, publicado por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos en febrero de 2010, el biodiesel de aceite de soja produce, en promedio, una reducción del 57% de los gases de efecto invernadero en comparación con el diésel de petróleo, y el biodiesel producido a partir de grasas de desecho produce una reducción del 86%. Consulte el capítulo 2.6 del informe de la EPA para obtener información más detallada.
Sin embargo, organizaciones ambientalistas, por ejemplo, Rainforest Rescue [131] y Greenpeace [ 132] critican el cultivo de plantas utilizadas para la producción de biodiesel, por ejemplo, palma aceitera, soja y caña de azúcar. La deforestación de las selvas tropicales exacerba el cambio climático y se destruyen ecosistemas sensibles para despejar la tierra para plantaciones de palma aceitera, soja y caña de azúcar. Además, los biocombustibles contribuyen al hambre mundial, ya que la tierra cultivable ya no se utiliza para el cultivo de alimentos. La Agencia de Protección Ambiental publicó datos en enero de 2012, que muestran que los biocombustibles hechos de aceite de palma no contarán para el mandato de combustibles renovables de los Estados Unidos, ya que no son amigables con el clima. [133] Los ambientalistas acogen con satisfacción la conclusión porque el crecimiento de las plantaciones de palma aceitera ha impulsado la deforestación tropical, por ejemplo, en Indonesia y Malasia. [133] [134]
Indonesia produce biodiésel principalmente a partir de aceite de palma . Como las tierras agrícolas son limitadas, para plantar monocultivos de palma aceitera es necesario talar tierras utilizadas para otros cultivos o para la selva tropical. Una de las principales amenazas ambientales es la destrucción de las selvas tropicales de Indonesia. [135]
El impacto ambiental del biodiésel es diverso y no está del todo claro. Un incentivo que se menciona a menudo para utilizar biodiésel es su capacidad para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con las de los combustibles fósiles . Que esto sea cierto o no depende de muchos factores.
Una crítica general contra el biodiésel es el cambio de uso de la tierra , que tiene el potencial de causar incluso más emisiones que las que se producirían utilizando únicamente combustibles fósiles. [138] Sin embargo, este problema se solucionaría con el biocombustible de algas , que puede utilizar tierras no aptas para la agricultura.
El dióxido de carbono es uno de los principales gases de efecto invernadero . Aunque la quema de biodiésel produce emisiones de dióxido de carbono similares a las de los combustibles fósiles comunes, la materia prima vegetal utilizada en la producción absorbe dióxido de carbono de la atmósfera cuando crece. Las plantas absorben dióxido de carbono a través de un proceso conocido como fotosíntesis , que les permite almacenar energía de la luz solar en forma de azúcares y almidones. Una vez que la biomasa se convierte en biodiésel y se quema como combustible, la energía y el carbono se liberan nuevamente. Parte de esa energía se puede utilizar para impulsar un motor mientras que el dióxido de carbono se libera nuevamente a la atmósfera.
Por lo tanto, al considerar la cantidad total de emisiones de gases de efecto invernadero es importante tener en cuenta todo el proceso de producción y los efectos indirectos que dicha producción podría causar. El efecto sobre las emisiones de dióxido de carbono depende en gran medida de los métodos de producción y del tipo de materia prima utilizada. Calcular la intensidad de carbono de los biocombustibles es un proceso complejo e inexacto, y depende en gran medida de las suposiciones realizadas en el cálculo. Un cálculo generalmente incluye:
Otros factores pueden ser muy importantes, pero a veces no se tienen en cuenta. Entre ellos se incluyen:
Si no se tiene en cuenta el cambio de uso de la tierra y se utilizan los métodos de producción actuales, el biodiésel de aceite de colza y girasol produce entre un 45% y un 65% menos de emisiones de gases de efecto invernadero que el petrodiésel. [139] [140] [141] [142] Sin embargo, se están realizando investigaciones para mejorar la eficiencia del proceso de producción. [139] [141] El biodiésel producido a partir de aceite de cocina usado u otras grasas residuales podría reducir las emisiones de CO2 hasta en un 85%. [136] Mientras la materia prima se cultive en tierras de cultivo existentes, el cambio de uso de la tierra tiene poco o ningún efecto sobre las emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, existe la preocupación de que el aumento de la producción de materia prima afecte directamente a la tasa de deforestación. Esa tala rasa hace que se libere el carbono almacenado en los bosques, el suelo y las capas de turba . La cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la deforestación es tan grande que los beneficios de unas emisiones más bajas (causadas únicamente por el uso de biodiésel) serían insignificantes durante cientos de años. [136] [138] Por lo tanto, el biocombustible producido a partir de materias primas como el aceite de palma podría causar emisiones de dióxido de carbono mucho mayores que algunos tipos de combustibles fósiles. [143]
En los Estados Unidos, el biodiésel es el único combustible alternativo que ha completado con éxito los requisitos de pruebas de efectos sobre la salud (nivel I y nivel II) de la Ley de Aire Limpio (1990) .
El biodiésel puede reducir la emisión directa de partículas en suspensión (pequeñas partículas de productos de combustión sólida) en los vehículos con filtros de partículas hasta en un 20 por ciento en comparación con el diésel con bajo contenido de azufre (< 50 ppm). Las emisiones de partículas resultantes de la producción se reducen alrededor del 50 por ciento en comparación con el diésel de origen fósil. [144]
Un estudio de la Universidad de Idaho comparó las tasas de biodegradación del biodiésel, los aceites vegetales puros, las mezclas de biodiésel y diésel de petróleo, y el combustible diésel 2-D puro. Utilizando concentraciones bajas del producto a degradar (10 ppm) en soluciones enmendadas con nutrientes y lodos de depuradora, demostraron que el biodiésel se degradaba a la misma velocidad que un control de dextrosa y 5 veces más rápido que el diésel de petróleo durante un período de 28 días, y que las mezclas de biodiésel duplicaban la tasa de degradación del diésel de petróleo a través del cometabolismo . [145] El mismo estudio examinó la degradación del suelo utilizando 10 000 ppm de biodiésel y diésel de petróleo, y encontró que el biodiésel se degradaba al doble de la tasa del diésel de petróleo en el suelo. En todos los casos, se determinó que el biodiésel también se degradaba más completamente que el diésel de petróleo, que producía intermedios indeterminados poco degradables. Los estudios de toxicidad para el mismo proyecto no demostraron mortalidad y tuvieron pocos efectos tóxicos en ratas y conejos con hasta 5000 mg/kg de biodiésel. El diésel de petróleo tampoco mostró mortalidad en la misma concentración; sin embargo, se observaron efectos tóxicos como pérdida de pelo y decoloración urinaria con concentraciones de >2000 mg/L en conejos.: [146]
A medida que el biodiésel se utiliza más ampliamente, es importante considerar cómo afecta el consumo a la calidad del agua y a los ecosistemas acuáticos. Las investigaciones que examinaron la biodegradabilidad de diferentes combustibles de biodiésel descubrieron que todos los biocombustibles estudiados (incluido el aceite de colza puro, el aceite de soja puro y sus productos de ésteres modificados) eran compuestos “fácilmente biodegradables” y tenían una tasa de biodegradación relativamente alta en el agua. [147] Además, la presencia de biodiésel puede aumentar la tasa de biodegradación del diésel a través del cometabolismo. A medida que aumenta la proporción de biodiésel en las mezclas de biodiésel y diésel, más rápido se degrada el diésel. Otro estudio que utilizó condiciones experimentales controladas también mostró que los ésteres metílicos de ácidos grasos, las moléculas primarias del biodiésel, se degradaban mucho más rápido que el diésel de petróleo en el agua de mar. [148]
Al considerar las emisiones provenientes del uso de combustibles fósiles y biocombustibles, la investigación generalmente se centra en los principales contaminantes, como los hidrocarburos. En general, se reconoce que el uso de biodiesel en lugar de diésel produce una reducción sustancial de las emisiones de gases regulados, pero ha habido una falta de información en la literatura de investigación sobre los compuestos no regulados que también desempeñan un papel en la contaminación del aire. [149] Un estudio se centró en las emisiones de compuestos carbonílicos no criterios provenientes de la quema de mezclas de diésel puro y biodiesel en motores diésel de servicio pesado. Los resultados encontraron que las emisiones carbonílicas de formaldehído, acetaldehído, acroleína, acetona, propionaldehído y butiraldehído eran mayores en las mezclas de biodiesel que las emisiones del diésel puro. El uso de biodiesel produce mayores emisiones carbonílicas pero menores emisiones totales de hidrocarburos, lo que puede ser mejor como fuente de combustible alternativa. Se han realizado otros estudios que contradicen estos resultados, pero las comparaciones son difíciles de hacer debido a varios factores que difieren entre los estudios (como los tipos de combustible y motores utilizados). En un artículo que comparó 12 artículos de investigación sobre las emisiones de carbonilo provenientes del uso de combustible biodiésel, se encontró que 8 de los artículos informaron un aumento en las emisiones de compuestos de carbonilo, mientras que 4 mostraron lo contrario. [149] Esto es evidencia de que todavía se requiere mucha investigación sobre estos compuestos.
La lubricidad del combustible juega un papel importante en el desgaste que se produce en un motor. Un motor diésel depende de su combustible para proporcionar lubricidad a los componentes metálicos que están constantemente en contacto entre sí. [150] El biodiésel es un lubricante mucho mejor en comparación con el diésel de petróleo fósil debido a la presencia de ésteres. Las pruebas han demostrado que la adición de una pequeña cantidad de biodiésel al diésel puede aumentar significativamente la lubricidad del combustible a corto plazo. [151] Sin embargo, durante un período de tiempo más largo [ aclaración necesaria ] (2 a 4 años), los estudios muestran que el biodiésel pierde su lubricidad. [152] [ verificación fallida ] Esto podría deberse a una mayor corrosión con el tiempo debido a la oxidación de las moléculas insaturadas o al aumento del contenido de agua en el biodiésel debido a la absorción de humedad. [58]
Una de las principales preocupaciones con respecto al biodiesel es su viscosidad. La viscosidad del diésel es de 2,5 a 3,2 cSt a 40 °C y la viscosidad del biodiesel elaborado a partir de aceite de soja está entre 4,2 y 4,6 cSt [153]. La viscosidad del diésel debe ser lo suficientemente alta como para proporcionar suficiente lubricación para las piezas del motor, pero lo suficientemente baja como para fluir a temperatura de funcionamiento. Una viscosidad alta puede obstruir el filtro de combustible y el sistema de inyección de los motores. [153] El aceite vegetal está compuesto de lípidos con largas cadenas de hidrocarburos; para reducir su viscosidad, los lípidos se descomponen en moléculas más pequeñas de ésteres. Esto se hace convirtiendo el aceite vegetal y las grasas animales en ésteres de alquilo mediante transesterificación para reducir su viscosidad [154]. Sin embargo, la viscosidad del biodiesel sigue siendo más alta que la del diésel, y el motor puede no ser capaz de utilizar el combustible a bajas temperaturas debido al flujo lento a través del filtro de combustible. [155]
El biodiésel tiene un mayor consumo de combustible específico para los frenos en comparación con el diésel, lo que significa que se requiere un mayor consumo de combustible biodiésel para el mismo par. Sin embargo, se ha descubierto que la mezcla de biodiésel B20 proporciona un aumento máximo en la eficiencia térmica, el menor consumo de energía específico para los frenos y menores emisiones nocivas. [6] [58] [150] El rendimiento del motor depende de las propiedades del combustible, así como de la combustión, la presión del inyector y muchos otros factores. [156] Dado que existen varias mezclas de biodiésel, eso puede explicar los informes contradictorios en lo que respecta al rendimiento del motor.
La materia prima utilizada para fabricar el biodiésel altera las propiedades del combustible al cambiar la longitud promedio de la cadena de carbono y el número de enlaces dobles presentes en los ésteres metílicos de ácidos grasos. [157]
Cuando el biodiésel se enfría por debajo de un cierto punto, algunas de las moléculas se agregan y forman cristales. El combustible comienza a verse turbio una vez que los cristales se vuelven más grandes que un cuarto de las longitudes de onda de la luz visible : este es el punto de enturbiamiento (CP). A medida que el combustible se enfría aún más, estos cristales se vuelven más grandes. La temperatura más baja a la que el combustible puede pasar a través de un filtro de 45 micrómetros es el punto de obstrucción del filtro frío (CFPP). [158] A medida que el biodiésel se enfría aún más, se gelificará y luego se solidificará. Dentro de Europa, existen diferencias en los requisitos de CFPP entre países. Esto se refleja en las diferentes normas nacionales de esos países. La temperatura a la que el biodiésel puro (B100) comienza a gelificarse varía significativamente y depende de la mezcla de ésteres y, por lo tanto, del aceite de alimentación utilizado para producir el biodiésel. Por ejemplo, el biodiésel producido a partir de variedades de semillas de canola con bajo contenido de ácido erúcico (RME) comienza a gelificarse aproximadamente a -10 °C (14 °F). El biodiesel producido a partir de sebo de res y aceite de palma tiende a gelificarse a alrededor de 16 °C (61 °F) y 13 °C (55 °F) respectivamente. [159] Hay una serie de aditivos disponibles comercialmente que reducirán significativamente el punto de fluidez y el punto de obstrucción del filtro frío del biodiesel puro. El funcionamiento en invierno también es posible mezclando biodiesel con otros combustibles, incluido el combustible diesel de bajo contenido de azufre n .° 2 y el diesel/ queroseno n . ° 1 .
Otro método para facilitar el uso de biodiésel en condiciones de frío es emplear un segundo tanque de combustible para biodiésel además del tanque de combustible diésel estándar. El segundo tanque de combustible puede aislarse y se puede colocar una bobina de calentamiento que utilice refrigerante del motor a través del tanque. Los tanques de combustible pueden cambiarse cuando el combustible esté lo suficientemente caliente. Se puede utilizar un método similar para operar vehículos diésel que utilicen aceite vegetal puro.
El biodiésel puede contener pequeñas pero problemáticas cantidades de agua. Aunque es apenas miscible con agua, es higroscópico . [160] Una de las razones por las que el biodiésel puede absorber agua es la persistencia de mono y diglicéridos que quedan de una reacción incompleta. Estas moléculas pueden actuar como un emulsionante, permitiendo que el agua se mezcle con el biodiésel. [ cita requerida ] Además, puede haber agua residual del procesamiento o resultante de la condensación del tanque de almacenamiento . La presencia de agua es un problema porque:
Anteriormente, era difícil medir la cantidad de agua que contaminaba el biodiésel tomando muestras, ya que el agua y el aceite se separaban. Sin embargo, ahora es posible medir el contenido de agua utilizando sensores de agua en aceite. [161]
La contaminación del agua también es un problema potencial cuando se utilizan ciertos catalizadores químicos involucrados en el proceso de producción, lo que reduce sustancialmente la eficiencia catalítica de los catalizadores básicos (pH alto), como el hidróxido de potasio . Sin embargo, se ha demostrado que la metodología de producción de metanol supercrítico, mediante la cual el proceso de transesterificación de la materia prima de petróleo y el metanol se efectúa a alta temperatura y presión, no se ve afectada en gran medida por la presencia de contaminación del agua durante la fase de producción.
Se han llevado a cabo investigaciones para encontrar cultivos más adecuados y mejorar la producción de aceite. También es posible utilizar otras fuentes, como la materia fecal humana; Ghana ha construido su primera "planta de biodiésel alimentada con lodos fecales". [162]
Las variedades de mostaza especialmente cultivadas pueden producir rendimientos de aceite razonablemente altos y son muy útiles en la rotación de cultivos con cereales, y tienen el beneficio adicional de que la harina que queda después de que se ha extraído el aceite puede actuar como un pesticida eficaz y biodegradable. [163]
La NFESC , junto con Biodiesel Industries, con sede en Santa Bárbara, está trabajando para desarrollar tecnologías de biodiésel para la marina y el ejército de los EE. UU., uno de los mayores usuarios de combustible diésel del mundo. [164]
Un grupo de desarrolladores españoles que trabajan para una empresa llamada Ecofasa anunció un nuevo biocombustible elaborado a partir de basura. El combustible se crea a partir de desechos urbanos generales que son tratados por bacterias para producir ácidos grasos, que pueden usarse para fabricar biodiésel. [165]
Otro enfoque que no requiere el uso de productos químicos para la producción implica el uso de microbios modificados genéticamente. [166] [167]
Entre 1978 y 1996, el NREL de los Estados Unidos experimentó con el uso de algas como fuente de biodiésel en el " Programa de Especies Acuáticas ". [114] Un artículo autopublicado por Michael Briggs, del Grupo de Biodiésel de la UNH , ofrece estimaciones para la sustitución realista de todo el combustible vehicular por biodiésel mediante la utilización de algas que tienen un contenido de aceite natural superior al 50%, que Briggs sugiere que se pueden cultivar en estanques de algas en plantas de tratamiento de aguas residuales . [168] Estas algas ricas en aceite se pueden extraer del sistema y procesar para obtener biodiésel, y el resto seco se puede reprocesar para crear etanol.
La producción de algas para extraer aceite para biodiesel aún no se ha llevado a cabo a escala comercial, pero se han realizado estudios de viabilidad para llegar a la estimación de rendimiento anterior. Además de su alto rendimiento proyectado, la algacultura, a diferencia de los biocombustibles basados en cultivos , no implica una disminución en la producción de alimentos , ya que no requiere ni tierras de cultivo ni agua dulce . Muchas empresas están buscando biorreactores de algas para diversos fines, incluida la ampliación de la producción de biodiesel a niveles comerciales. [169] [170] Los lípidos del biodiesel podrían extraerse de las algas húmedas utilizando una reacción simple y económica en líquidos iónicos . [171]
Millettia pinnata , también conocida como árbol de aceite de Pongam o Pongamia, es un árbol leguminoso que produce semillas oleaginosas y que ha sido identificado como candidato para la producción de aceite vegetal no comestible.
Las plantaciones de Pongamia para la producción de biodiésel tienen un doble beneficio ambiental. Los árboles almacenan carbono y producen combustible. Pongamia crece en tierras marginales no aptas para cultivos alimentarios y no requiere fertilizantes de nitrato. El árbol productor de aceite tiene el mayor rendimiento de planta productora de aceite (aproximadamente el 40% del peso de la semilla es aceite) mientras crece en suelos desnutridos con altos niveles de sal. Se está convirtiendo en un foco principal en varias organizaciones de investigación de biodiésel. [172] Las principales ventajas de Pongamia son una mayor recuperación y calidad de aceite que otros cultivos y no hay competencia directa con los cultivos alimentarios. Sin embargo, el crecimiento en tierras marginales puede conducir a menores rendimientos de aceite, lo que podría causar competencia con los cultivos alimentarios por un mejor suelo.
Varios grupos en diversos sectores están realizando investigaciones sobre Jatropha curcas , un árbol venenoso parecido a un arbusto que produce semillas que muchos consideran una fuente viable de aceite para biodiesel. [173] Gran parte de esta investigación se centra en mejorar el rendimiento general de aceite por acre de Jatropha a través de avances en genética, ciencia del suelo y prácticas hortícolas.
SG Biofuels , un desarrollador de Jatropha con sede en San Diego, ha utilizado la cría molecular y la biotecnología para producir semillas híbridas de élite de Jatropha que muestran mejoras significativas en el rendimiento con respecto a las variedades de primera generación. [174] SG Biofuels también afirma que han surgido beneficios adicionales de dichas cepas, incluida una mejor sincronización de la floración, mayor resistencia a las plagas y enfermedades y una mayor tolerancia al clima frío. [175]
Plant Research International, un departamento de la Universidad y Centro de Investigación de Wageningen en los Países Bajos, mantiene en curso un Proyecto de Evaluación de Jatropha (JEP) que examina la viabilidad del cultivo de Jatropha a gran escala mediante experimentos de campo y laboratorio. [176]
El Centro para la Agricultura Energética Sostenible (CfSEF) es una organización de investigación sin fines de lucro con sede en Los Ángeles dedicada a la investigación de la jatropha en las áreas de ciencia vegetal, agronomía y horticultura. Se prevé que la exploración exitosa de estas disciplinas aumentará los rendimientos de producción de las granjas de jatropha en un 200-300% en los próximos diez años. [177]
Las llamadas grasas, aceites y grasas (FOG), recuperadas de las aguas residuales , también se pueden transformar en biodiésel. [178]
Un grupo de la Academia Rusa de Ciencias en Moscú publicó un artículo en 2008, afirmando que habían aislado grandes cantidades de lípidos de hongos unicelulares y los habían convertido en biodiésel de una manera económicamente eficiente. [179]
El reciente descubrimiento de una variante del hongo Gliocladium roseum apunta a la producción del llamado micodiesel a partir de celulosa. Este organismo fue descubierto recientemente en las selvas tropicales del norte de la Patagonia y tiene la capacidad única de convertir la celulosa en hidrocarburos de longitud media que se encuentran típicamente en el combustible diésel. [180]
Los investigadores de la Universidad de Nevada, Reno , han logrado producir biodiésel a partir de aceite derivado de posos de café usados . Su análisis de los posos usados mostró un contenido de aceite de entre el 10% y el 15% (en peso). Una vez extraído el aceite, se sometió a un procesamiento convencional para convertirlo en biodiésel. Se calcula que el biodiésel terminado podría producirse por aproximadamente un dólar estadounidense por galón. Además, se informó que "la técnica no es difícil" y que "hay tanto café disponible que potencialmente podrían producirse varios cientos de millones de galones de biodiésel al año". Sin embargo, incluso si se utilizaran todos los posos de café del mundo para fabricar combustible, la cantidad producida sería menos del 1 por ciento del diésel que se utiliza anualmente en los Estados Unidos. "No resolverá el problema energético mundial", dijo el Dr. Misra sobre su trabajo. [181]
Se ha desarrollado un microrreactor para convertir el biodiésel en vapor de hidrógeno para alimentar pilas de combustible. [182]
El reformado con vapor , también conocido como reformado de combustibles fósiles , es un proceso que produce gas hidrógeno a partir de combustibles de hidrocarburos, en particular biodiésel debido a su eficiencia. Un **microrreactor**, o reformador, es el dispositivo de procesamiento en el que el vapor de agua reacciona con el combustible líquido a alta temperatura y presión. A temperaturas que oscilan entre 700 y 1100 °C, un catalizador a base de níquel permite la producción de monóxido de carbono e hidrógeno: [183]
Hidrocarburo + H
2O ⇌ CO + 3 H
2(Altamente endotérmico)
Además, se puede aprovechar un mayor rendimiento de gas hidrógeno oxidando aún más el monóxido de carbono para producir más hidrógeno y dióxido de carbono:
CO2 + H2
2O → CO2 + H
2(Ligeramente exotérmico)
A partir de 2020 [update], los investigadores del CSIRO de Australia han estado estudiando el aceite de cártamo de una variedad especialmente creada como lubricante de motor , y los investigadores del Centro de Combustible Avanzado de la Universidad Estatal de Montana en los EE. UU. han estado estudiando el rendimiento del aceite en un motor diésel grande , con resultados descritos como un "cambio de juego". [184]
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )biodiesel se considera un combustible renovable. Proporciona una reducción del 60 por ciento en el CO2 de pozo a rueda.
Las principales áreas que quedan para nuevas plantaciones extensivas son las grandes extensiones de turberas tropicales, hasta hace poco áreas de selva tropical vírgenes. Más del 50% de las nuevas plantaciones están planeadas en estas áreas de turberas
Tom Beer; Tim Grant; Harry Watson; Doina Olaru (2004). Análisis de emisiones durante el ciclo de vida de los combustibles para vehículos ligeros (PDF) (Informe). CSIRO. Oficina Australiana de Efecto Invernadero. HA93A-C837/1/F5.2E.
