Manual didáctico de biocombustibles
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Manual didáctico de biocombustibles Los biocombustibles Los biocombustibles son combustibles de origen biológico obtenido de manera renovable a partir de restos orgánicos proceden habitualmente del azúcar, trigo o maíz o semillas oleaginosas. Todos ellos reducen el volumen de CO2 que se emite en la atmosfera.
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JOHN FREDY PEREZ LEON PARCIAL 2 ELECTIVA DE AMB 2
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Manual didáctico de biocombustibles
Los biocombustibles
Los biocombustibles son combustibles de origen biológico obtenido de manera renovable a partir
de restos orgánicos proceden habitualmente del azúcar, trigo o maíz o semillas oleaginosas.
Todos ellos reducen el volumen de CO2 que se emite en la atmosfera.
Biodiesel
Definición de gasóleo
El gasóleo, también conocido como diésel, es un líquido de color verdoso o blancuzco, tiene 850
kg/m3 de densidad, está compuesto fundamentalmente por parafinas.
Es utilizado principalmente como combustible en motores diésel y en calefacción.
El gasóleo tiene aproximadamente u 18% más energía por unidad de volumen que la gasolina, lo
que sumado a la mayor eficiencia de los motores diésel, contribuye a que su rendimiento sea
mayor.
Origen y etimología
La palabra ¨diésel¨ se deriva del nombre dl inventor alemán Rudolf Christian Karl- diésel que en
1982 invento el motor diésel. Al principio considero que el combustible idóneo para su motor era
carbón en polvo, pero al intentar inyectarlo en los cilindros causo una explosión que destrozo el
prototipo. Después probó con aceites vegetales y tuvo éxito usando aceite de cacahuete.
Finalmente Diésel consiguió un producto estable a partir del refinado del petróleo produciendo lo
que hoy conocemos como gasóleo.
El motor diésel
El motor diésel se rige mediante el ciclo termodinámico del mismo nombre, que está constituido
por una compresión adiabática, una expansión isobara, una expansión adiabática y una
descompresión isocora.
En 1933 Citroen crea el primer vehiculo diesel para su venta comercial. Adolphus Bush en st. Louis
Missouri se convirtió en el primer constructor de motores diesel en Estados Unidos después de ver
en una exposición en Alemania el motor funcionando. Compro ka licencia de diesel y empezó
afabricar y vendermotores en norteamerica. Después de la primera guerra mundial, los ingenieros
navales que tenían experiencia en la construcción de motores diesel en submarinos empezaron
para adaptarlos en la economía.
Propiedades
En 2010 la densidad del gasóleo obtenido de petróleo era aproximadamente de 0,822 kg/l (varia
sgun la región, un 12% mas que la gasolina que tiene una densidad de 0,745kg/l aproximadamente
el 86.1% de la diesel es carbono y cuando se quema se obtiene un poder calorífico de 43,10 mj/kg
contra 43,20 de la gasolina sin embargo debido a la mayor densidad volumétrica energética de
35,85 mj/l contra los 32.18 mj/l de la gaolina, lo que supone un 11% mas que podría considerarse
notable cuando se compra la eficiencia del motor diesel frente al de ciclo otto.
Biodiesel
El biodiesel es un biocombustible líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites
vegetales o grasas animales con o sin uso previo, mediante procesos industriales de esterificación
y transesterificacion y que también se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales de
petrodiesel o gasóleo obtenido del petróleo.
Se utilizan notaciones abreviadas según el porcentaje por volumen de biodiesel en la mescla B100
en caso de utilizar solo biodiesel u otras notaciones como B5, B15, B30 o B50 donde la numeración
indica el porcentaje por volumen de biodiesel en la mezcla. El aceite vegetal cuyas propiedades
para la impulsión de motores se conocen desde la invención del motor diésel gracia a los trabajos
de Rudolf Diésel ya se destinaba a la combustión en motores de ciclo diésel convencionales
adaptados. A principios del siglo xxi en el contexto de búsqueda de nuevas fuentes de energía.
Antecedentes históricos
La transesterificacion de los aceites vegetales fue desarrollada en 1853 por el científico Patrick
Duffy, muchos años antes de que el primer motor diésel funcionase. El primer modelo de Rudolf
Diésel, un motor mono cilíndrico de hierro de 3 m con un volante en la base, funciono por vez
primera en Augusta (Alemania) el 10 de agosto de 1893. En conmemoración de dicho evento el 10
de agosto se ha decorado “día internacional del biodiesel”. Diésel presento su motor en la
exposición mundial de parís de 1990. Este motor es u ejemplo de la visión de diésel ya que era
alimentado por aceite de cacahuate- un biocombustible aunque no estrictamente biodiesel puesto
que no era transesterificado.
Durante los años 20 los fabricantes de motores diésel adaptaron sus propulsores a la menor
viscosidad del combustible fósil (gasóleo) frente al aceite vegetal.
La industria petrolera amplia así su hueco en el mercado de los carburantes porque su producto
era más económico de producir que la alternativa extraída de la biomasa.
El 31 de agosto de 1937 G. Chavanne de la Universidad de Bruselas Bélgica obtuvo la patente por
“transformar aceites vegetales para su uso como combustible. La patente describía la
transeterificion del aceite usado etanol o metanol para separar la glicerina de los ácidos grasos y
reemplazarla con alcoholes de cadenas cortas.
En 1977 Expedito Parente, científico Brasileño invento y patento el primer proceso industrial de
producción de biodiesel. Actualmente Tecbio la empresa de Parente trabaja junto con Boeing y la
NASA para certificar Bio- queroseno.
Entre 1978 y 1996 el National Renewable Energy Laboratory (NREL) estadounidense ha
experimentado el uso de algas como fuente de biodiesel dentro del Aqutic Species Program.
En 1979 se iniciaron en Sudáfrica investigaciones sobre como transferir aceite de girasol en diésel
Finalmente en 1983 el proceso de como producir biodiesel de calidad fue completado y publicado
internacionalmente. Gaskoks una industria austriaca obtuvo esta tecnología y estableció la
primera planta piloto productora de biodiesel en 1987 y una industrial en 1989.
Durante la década de los 90 se abrieron en muchos países europeos; entre ellos Republica checa,
Alemania, y Suecia.
Propiedades
El biodiesel se describe químicamente como compuestos orgánicos de ésteres mono
alquílicos de ácidos grasos de cadena larga y corta.
El biodiesel tiene mejores propiedades lubricantes y mucho mayor índice de cetano que el
diésel de poco azufre. El agregar en una cierta proporción biodiesel al gasóleo reduce
significativamente el desgaste del circuito de combustible; y, en baja cantidad y en sistemas
de altas presiones, extiende la vida útil de los inyectores que dependen de la lubricación del
combustible.
El poder calorífico del biodiesel es 37,27 MJ/L (mega julio por litro) aproximadamente. Esto es
un 9% menor que el diésel mineral. La variación del poder calorífico del biodiesel depende de
la materia prima usada más que del proceso.
El biodiesel es líquido a temperatura ambiente y su color varía entre dorado y marrón oscuro
según el tipo de materia prima usada. Es inmiscible con el agua, tiene un punto de
ebullición alto y baja presión de vapor. Su punto de inflamación (superior a 130 °C) es mucho
mayor que el del diésel (64 °C) o la gasolina (-40 °C). Tiene una densidad de
aproximadamente 0,88 g/cm3, menos que el agua.
Más allá, no tiene virtualmente ningún contenido de azufre y se suele mezclar como aditivo
con el diésel de bajo contenido en azufre.
Compatibilidad con materiales
Plásticos
Es compatible con el polietileno de alta densidad. Al PVC lo degrada lentamente.
Algunos polímeros los disuelve al contacto directo.
Metales
Afecta a materiales basados en el cobre, también ataca el zinc, el estaño, el plomo y el hierro
fundido. Los materiales de acero inoxidable y aluminio son inmunes.
Caucho
El biodiesel descompone al caucho natural de algunos componentes de motores antiguos.
Gelificación[
Cuando el biodiesel se enfría hasta determinado punto, algunas moléculas se agregan y
forman cristales. El combustible empieza a “nublarse” una vez que los cristales se hacen
grandes (un cuarto de la longitud de onda de luz visible). Este punto se llama punto de
enturbiamiento. Cuanto más frío esté el combustible, mayores son los cristales. La menor
temperatura en la cual el biodiesel pasa por un filtro de 45 micrones se la llama punto de
obstrucción de filtros en frío (CFPP en inglés). A menores temperaturas el biodiésel se
convierte en gel y luego solidifica. Dentro de Europa, hay mucha diferencia en este punto entre
países. La temperatura en la cual el biodiesel puro comienza a gelificarse depende de la
mezcla de ésteres y, consecuentemente, de la materia prima usada. Por ejemplo, si se
produce a partir de sebo, tiende a convertirse en gel cerca de los 16 °C.
Hay muchos aditivos que se le agregan al biodiésel para disminuir esta temperatura. Otra
solución es mezclar biodiésel con diésel o queroseno. Otra es tener un tanque secundario de
biodiésel acompañando al del diésel de petróleo: el primero arranca y calienta el segundo, y
una vez alcanzada la temperatura necesaria, se cambia la alimentación.
Reacciones de síntesis
El proceso de transesterificación consiste en combinar el aceite (normalmente aceite vegetal)
con un alcohol ligero, normalmente metanol, y deja como residuo de valor
añadido propanotriol (glicerina) que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre
otras.
Las grasas de animales y plantas están hechas típicamente de triglicéridos, que son ésteres
de ácidos grasos libres con glicerol. En el proceso, el alcohol es deportando(removido de
un catión hidrógeno de una molécula) con una base para formar un nucleófilo (anión con un
par de electrones libres) más fuerte. Comúnmente son usados etanol y metanol. Como se ve
en el diagrama, la reacción no tiene otros reactivos más que el triglicérido y el alcohol.
En condiciones ambientales normales, la reacción puede no ocurrir o hacerlo de manera muy
lenta. Se usa el calor para acelerar la reacción, además de un ácido o una base. Es
importante notar que el ácido o la base no son consumidos durante la reacción, es decir,
son catalizadores. Casi todo el biodiésel es producido a partir de aceites vegetales vírgenes
usando una base como catalizador debido a que es el método más económico, requiriendo
bajas temperaturas y presiones y obteniendo una conversión del 98%. Sin embargo, hay otros
métodos que usan ácidos como catalizadores que son más lentos.
Transesterificación usando bases
En este caso, la transesterificación se realiza a través del mecanismo de reacción conocido
como sustitución nucleofílica en el acilo, usando una base fuerte, capaz
de deprotonar el alcohol, como catalizador. Comúnmente, la base es disuelta en
el alcohol para dispersarla en todo el aceite. El hidróxido debe ser muy seco: cualquier
cantidad de agua en el proceso aumenta las probabilidades de saponificación, y
producir jabones consumiendo la base. Una vez hecha la mezcla de alcohol y base, es
agregada al triglicérido.
El átomo de carbono del grupo carbonilo del éster del triglicérido tiene una leve carga positiva
y el átomo de oxígeno del grupo carbonilo tiene una pequeña carga negativa. Esta
polarización del grupo C=O es la que atrae al ion alcóxido (RO-) al lugar de reacción.
R1
Atracción polarizada |
RO- ————————————————> C=O
|
O-CH2-CH-CH2-O-C=O
| |
O-C=O R3
|
R2
Esto genera un intermedio tetraédrico con carga negativa en el antiguo grupo carbonilo.
R1
|
RO-C-O- (par de electrones libres)
|
O-CH2-CH-CH2-O-C=O
| |
O-C=O R4
|
R2
Estos electrones vuelven a unirse con el carbono y desplazan al diacilglicerol formando
un éster.
R1
|
RO-C=O
+
-O-CH2-CH-CH2-O-C=O
| |
O-C=O R3
|
R2
Mezclas
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 con 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:
1) Mezclado en los depósitos. Tanto el biodiésel como diésel de petróleo se llevan a un
depósito en la terminal de almacenamiento donde se mezclan y desde donde se distribuye
la mezcla realizada.
2) En línea de mezcla. Los dos componentes provienen de depósitos diferentes en la
terminal de almacenamiento y llegan al camión cisterna de forma simultánea: La mezcla
final del biodiésel con el diésel de petróleo en la proporción deseada se realiza en la
terminal de almacenamiento, en el brazo de carga del camión cisterna, lo que se conoce
como “mezcla splash”.
3) Parquímetro bomba de mezcla. Tanto el biodiésel como diésel de petróleo están en
depósitos diferentes en la estación de servicio o el punto de consumo. En el surtidor de
combustible se marca la mezcla deseada y es el surtidor el que realiza la mezcla
solicitada en el momento de servirla. Desde el punto de vista logístico la mejor opción es
ésta.
Materias primas
La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza, ya que es una especie con alto
contenido de aceite, que se adapta bien a los climas fríos. Sin embargo existen otras
variedades con mayor rendimiento por hectárea, tales como la palma de aceite (Elaeis
guineensis), Jatropha Curcas, camelina etc. También se pueden utilizar aceites usados (por
ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso la materia prima es muy barata, y además se
reciclan lo que en otro caso serían residuos.
Rendimiento[editar]
Cultivo Litros/hectárea
Palma 4752
Alga 3000
Cocotero 2151
Jatropha 2000
Colza 954
Árbol de sebo 907
Maní 842
Girasol 767
Soja 922
Maíz 700
Cáñamo 242
El rendimiento del combustible de algas no fue determinado precisamente, pero se dice que
es de 12 veces más energía por hectárea que el girasol.[cita requerida]
Se dice[¿quién?] que la planta de jatropha tiene un gran rendimiento, pero depende mucho de las
condiciones climáticas y del suelo. El rendimiento promedio es de 1,5 a 2 millones de
toneladas en los lugares más favorables. Se cultiva en Filipinas, Malí e India; es resistente a
sequías y puede compartir espacio con otros cultivos como el café, azúcar, frutas y vegetales.
Se adapta bien en terrenos desérticos lo cual reduce la deforestación.
Capitulo 2 bioetanol
El alcohol etílico o etanol es un producto químico obtenido a partir de la fermentación de
los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales,
remolacha, caía de azúcar, sorgo o biomasa. Estos azúcares están combinados en forma
de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Las plantas crecen gracias al proceso de
fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los
nutrientes de la tierra forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos
de carbono y la celulosa, que se concentra en la parte fibrosa la planta.
El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia
orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido
aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como
combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto
poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante
reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El
etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10
respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales.
Un obstáculo importante es la legislación europea sobre la volatilidad de las gasolinas que
fija la proporción de etanol en mezclas E5. Concentraciones más elevadas, autorizadas
en Suecia y Estados Unidos, implica que se debe disponer de un vehïculo flexible (FFV),
con un depósito, motor y sistema de combustible único capaz de funcionar con gasolina y
etanol, solos o mezclados en cualquier proporción. La otra alternativa para su uso es en
forma de aditivo de la gasolina como etil-tercbutil ï éter (ETBE).
Proceso de obtención de bioetanol
El bioetanol se obtiene a partir de la remolacha (u otras plantas ricas en azúcares), de
cereales, de alcohol vínico o de biomasa, mediante un proceso de destilación. En España
la producción industrial emplea principalmente cereal como materia prima básica, con
posibilidad de utilizar los excedentes de la industria remolachera transformados en jugos
azucarados de bajo costo. En general, se utilizan tres familias de productos para la
obtención del alcohol:
Azucares, procedentes de la caña o la remolacha, por ejemplo. Cereales, mediante la fermentación de los azúcares del almidón. Biomasa, por la fermentación de los azúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa.
El esquema general de fabricación del bioetanol (diagrama 1), muestra las
siguientes fases en el proceso
Dilución: Es la adición del agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o (en última instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la levadura, usada más adelante en el proceso de fermentación, puede morir debido a una concentración demasiado grande del alcohol.
Conversión: La conversión es el proceso de convertir el almidón/celulosa en azúcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidón (o de la celulosa) con el ácido en un proceso de hidrólisis ácida.
Fermentación: La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente. De la fermentación alcohólica se obtienen un gran número de productos, entre ellos el alcohol
Destilación o Deshidratación: La destilación es la operación de separar, mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla (etanol/agua). Una forma de destilación, conocida desde la antigüedad, es la obtención de alcohol aplicando calor a una mezcla fermentada.
Gráfica 1. Proceso de obtención de bioetanol.
Otra alternativa a las cosechas dedicadas a fines energéticos, son los materiales
lignocelulïícos son los que ofrecen un mayor potencial para la producción de bioetanol, el
uso de residuos de procesos agrícolas, forestales o industriales, con alto contenido en
biomasa. Estos residuos pueden ir desde la paja de cereal a las "limpias" forestales,
pasando por los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) o las cáscaras de cereal o de arroz.
Los residuos tienen la ventaja de su bajo coste, ya que son la parte no necesaria de otros
productos o procesos, salvo cuando son utilizados en la alimentación del ganado. Los
RSU tienen un alto contenido en materia orgánica, como papel o madera, que los hace
una potencial fuente de materia prima, aunque debido a su diversa procedencia pueden
contener otros materiales cuyo pre proceso de separación incremente mucho el precio de
la obtención del bioalcohol.
También pueden utilizarse residuos generados en algunas industrias, como la papelera, la
hortofrutícola o la fracción orgánica de residuos sólidos industriales. Muchos de estos
residuos no sólo tienen valor económico en el contexto donde se generan sino que
pueden ser causa de problemas ambientales durante su eliminación [Cabrera, J. A.,
2006].
Los residuos de biomasa contienen mezclas complejas de carbohidratos, llamados
celulosa, hemicelulosa y lignina. Para obtener los azúcares de la biomasa, ésta es tratada
con ácidos o enzimas que facilitan su obtención. La celulosa y hemicelulosa son
hidrolizadas por enzimas o diluidas por ácidos para obtener sacarosa, que es entonces
fermentada. Los principales métodos para extraer estos azúcares son tres: la hidrólisis
con ácidos concentrados, la hidrólisis con ácidos diluidos y la hidrólisis enzimática. En la
gráfica 2 se muestra las diferencias entre los procesos de obtención de bioetanol, según
sea su materia prima de origen.
Gráfica 2. Diferencias en los procesos de obtención de bioetanol.
Otro ejemplo de proceso de obtención de bioetanol a partir de alcohol vínico, lo lleva a
cabo la empresa Acciona-Energía en la planta de Alcázar de Juan, donde se procede a la
limpieza y deshidratación del alcohol bruto, adquirido en las licitaciones que realiza
trimestralmente el Fondo Español de Garantía Agraria (FEGA), para elevar su pureza del
92 % al 99,9 % y comercializarlo, una vez desnaturalizado, como bioetanol. El proceso
comprende las siguientes fases:
Desulfuración: eliminación del anhídrido sulfuroso (SO2) presente en el alcohol bruto.
Deshidratación: reducción del contenido en agua mediante su tamizado con zeolitas, sustancias que captan las moléculas de agua.
Desmetilización: proceso en el que el alcohol ya deshidratado (99,9%) ve separado su contenido de metanol. Esta sustancia resulta corrosiva para los vehículos y puede ser comercializada como producto químico o combustible
Almacenamiento en depósitos: desde ellos el producto se trasporta por tuberías a la cisterna de carga y en ese trayecto se le añade una sustancia que desnaturaliza el bioetanol para evitar así su derivación al consumo
humano.
Subproductos de la obtención de bioetanol Los subproductos generados en la producción de bioetanol, así como el volumen de los
mismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En general se pueden agrupar
en dos tipos:
Materiales lignocelulïícos: tallos, bagazo, etc., correspondientes a las partes estructurales de la planta. En general se utilizan para valorización energética en cogeneración, especialmente para cubrir las
necesidades energéticas de la fase de destilación del bioetanol, aunque también se puede vender el excedente a la red eléctrica (con precio primado).
Materiales alimenticios: pulpa y granos de destilería de maíz desecados con solubles (DDGS), que son los restos energéticos de la planta después de la fermentación y destilación del bioetanol. Tienen interés para el mercado de piensos animales por su riqueza en proteína y valor energético.
CAPITULO 3. PETROLEO
za
El petróleo es una mezcla homogénea de compuestos orgánicos, principalmente
hidrocarburos insolubles en agua. También es conocido como petróleo crudo o
simplemente crudo. Se produce en el interior de la tierra por transformación de la
materia orgánica acumulada en sedimentos del pasado geológico y pude
acumularse en trampas geológicas naturales.
En condiciones normales es un líquido bituminoso que puede presentar gran
variación en diversos parámetros con color viscosidad. Es un recurso natural n
renovable y actualmente también es la principal fuente de energía en los países
desarrollados.
En los Estados Unidos es común medir los volúmenes de petróleo líquido en
barriles y los volúmenes de gas en pies cúbicos; en otras regiones ambos
volúmenes se miden en metros cúbicos.
COMPOSICION
El petróleo está formado principalmente por hidrocarburos, que son compuestos
de hidrógeno y carbono, en su mayoría parafinas, naftenos y aromáticos. Junto
con cantidades variables de derivados saturados homólogos del metano (CH4). Su
fórmula general es CnH2n+2.
Ciclo alcanos o ciclo parafinas-naftenos: hidrocarburos cíclicos saturados,
derivados del ciclo propano (C3H6) y del ciclo hexano (C6H12). Muchos de estos
hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con cadenas parafínicas
ramificadas. Su fórmula general es CnH2n.
Hidrocarburos aromáticos: hidrocarburos cíclicos insaturados constituidos
por el benceno (C6H6) y sus homólogos. Su fórmula general es CnHn.
Alquenos u olefinas: moléculas lineales o ramificadas que contienen un
enlace doble de carbono (-C=C-). Su fórmula general es CnH2n. Tienen
terminación -"eno".
Dienos: Son moléculas lineales o ramificadas que contienen dos enlaces
dobles de carbono. Su fórmula general es CnH2n-2.
Alquinos: moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace triple de
carbono. Su fórmula general es: CnH2n-2. Tienen terminación -"ino".
Además de hidrocarburos, el petróleo contiene otros compuestos que se
encuentran dentro del grupo de orgánicos, entre los que se
destacan sulfuros orgánicos, compuestos de nitrógeno y de oxígeno.
ORIGEN DEL PETROLEO
Es de origen fósil, fruto de la transformación de materia orgánica procedente
de zooplancton y algas que, depositados en grandes cantidades en
fondos anóxicos de mares o zonas lacustres del pasado geológico, fueron
posteriormente enterrados bajo pesadas capas de sedimentos. Se originaron a
partir de restos de plantas y microorganismos enterrados por millones de años y
sujetos a distintos procesos físicos y químicos. La transformación química
(craqueo natural) debida al calor y a la presión durante la diagénesis produce, en
sucesivas etapas, desde betún a hidrocarburos cada vez más ligeros (líquidos y
gaseosos). Estos productos ascienden hacia la superficie, por su menor densidad,
gracias a la porosidad de las rocas sedimentarias. Cuando se dan las
circunstancias geológicas que impiden dicho ascenso (trampas petrolíferas como
rocas impermeables, estructuras anticlinales, márgenes de diapiros salinos, etc.)
se forman entonces los yacimientos petrolíferos.
Teoría sobre el origen inorgánico
Algunos científicos apoyan la hipótesis del origen a biogenético del petróleo y
sostienen que en el interior de la tierra existen hidrocarburos de origen
estrictamente a biogenético. Los químicos Marcellin Berthelot y Dimitri Mendeleiev,
así como el astrónomo Thomas Gold llevaron adelante esta teoría en el mundo
occidental al apoyar el trabajo de Nikolai Kudryavtsev en la década de 1950.[
Actualmente, esta teoría es apoyada principalmente por Kenney y Krayushkin.
La hipótesis del origen a biogenético del petróleo es muy minoritaria entre los
geólogos. Sus defensores consideran que se trata de "una cuestión todavía
abierta". La extensiva investigación de la estructura química del queroseno ha
identificado a las algas como la fuente principal del petróleo. La hipótesis del
origen a biogenético no puede explicar la presencia de estos marcadores en el
queroseno y el petróleo, así como no puede explicar su origen inorgánico a
presiones y temperaturas suficientemente altas para convertir el queroseno en
grafito. La hipótesis tampoco ha tenido mucho éxito ayudando a los geólogos a
descubrir depósitos de petróleo, debido a que carece de cualquier mecanismo
para predecir dónde podría ocurrir el proceso. Más recientemente, los científicos
del Carnegie Institution for Science han descubierto que el etano y otros
hidrocarburos más pesados pueden ser sintetizados bajo las condiciones del
manto superior.
CLASIFICACION DE LAS DISTINTAS CLASES DE PETROLEO
La industria petrolera clasifica el petróleo crudo según su lugar de origen (p.e.
"West Texas Intermediate" o "Brent") y también con base a su densidad
o gravedad API (ligero, medio, pesado, extra pesado); los refinadores también lo
clasifican como "crudo dulce", que significa que contiene relativamente poco
azufre, o "ácido", que contiene mayores cantidades de azufre y, por lo tanto, se
necesitarán más operaciones de refinamiento para cumplir las especificaciones
actuales de los productos refinados.
Crudos de referencia
Brent Blend, compuesto de quince crudos procedentes de campos de
extracción en los sistemas Brent y Ninian de los campos del Mar del Norte,
este crudo se almacena y carga en la terminal de las Islas Shetland.
La producción de crudo de Europa, África y Oriente Medio sigue la tendencia
marcada por los precios de este crudo.
West Texas Intermediate (WTI) para el crudo estadounidense.
Dubái se usa como referencia para la producción del crudo de la región Asia-
Pacífico.
Tapis (de Malasia), usado como referencia para el crudo ligero del Lejano
Oriente.
Minas (de Indonesia), usado como referencia para el crudo pesado del Lejano
Oriente.
Arabia Ligero de Arabia Saudita
Bonny Ligero de Nigeria
Fateh de Dubái
Istmo de México (no-OPEP)
Minas de Indonesia
Saharan Blend de Argelia
Merey de Venezuela
Tia Juana Light de Venezuela
EL PROCESO DE PERFORACION
El proceso de perforación de pozos petroleros y de gas natural se realiza en las
etapas de exploración y desarrollo, de lo que la industria petrolera se conoce
como upstream. La extracción es una actividad de la última etapa del upstream,
denominada producción.
Si la presión de los fluidos es suficiente, forzará la salida natural del petróleo a
través del pozo que se conecta mediante una red de oleoductos hacia su
tratamiento primario, donde se deshidrata y estabiliza eliminando los compuestos
más volátiles. Posteriormente se transporta a refinerías o plantas de
mejoramiento. Durante la vida del yacimiento, la presión descenderá y será
necesario usar otras técnicas para la extracción del petróleo. Esas técnicas
incluyen la extracción mediante bombas, la inyección de agua o la inyección de
gas, entre otras.
EL REFINADO DEL PETROLEO
El petróleo es una mezcla de productos que para poder ser utilizado en las
diferentes industrias y en los motores de combustión debe sufrir una serie de
tratamientos diversos. Muy a menudo la calidad de un Petróleo crudo depende en
gran medida de su origen. En función de dicho origen sus características varían:
color, viscosidad, contenido. Por ello, el crudo a pie de pozo no puede ser utilizado
tal cual. Se hace, por tanto, indispensable la utilización de diferentes procesos de
tratamiento y transformación para la obtención del mayor número de productos de
alto valor comercial. El conjunto de estos tratamientos constituyen el proceso de
refino o refinación del petróleo. Destilación fraccionada del petróleo
El petróleo natural no se usa como se extrae de la naturaleza, sino que se separa
en mezclas más simples de hidrocarburos que tienen usos específicos, a este
proceso se le conoce como destilación fraccionada. El petróleo natural hirviente
(unos 400 grados Celsius) se introduce a la parte baja de la torre, todas las
sustancias que se evaporan a esa temperatura pasan como vapores a la cámara
superior algo más fría y en ella se condensan las fracciones más pesadas que
corresponden a los aceites lubricantes. De este proceso se obtienen las
fracciones:
Gases: metano, etano y gases licuados del petróleo (propano y butano)
Nafta, ligroína o éter de petróleo
Gasolina
Queroseno
Gasóleo (ligero y pesado)
Fuelóleo
Aceites lubricantes
Asfalto
Alquitrán
Los componentes químicos del petróleo se separan y obtienen
por destilación mediante un proceso de refinamiento. De él se extraen diferentes
productos, entre otros: propano, butano, gasolina, queroseno, gasóleo, aceites
lubricantes, asfaltos, carbón de coque, etc. Todos estos productos, de baja
solubilidad, se obtienen en el orden indicado, de arriba abajo, en las torres de
fraccionamiento.
La industria petroquímica elabora a partir del petróleo varios productos derivados,
además de combustibles, como plásticos, derivados
del etileno, pesticidas, herbicidas, fertilizantes o fibras sintéticas.
CAPITULO 4. BIOGAS
El biogás se genera naturalmente o por medio de dispositivos espesificos como el
biodigestor y que se produce a partir de la fermentacio o biodegradación de la
materia organica.
EL BIOGAS POR DESCOMPOSICION ANAEROBICA
La producción de biogás por descomposición anaeróbica es un modo considerado útil para
tratar residuos biodegradables, ya que produce un combustible de valor, además de generar
un efluente que puede aplicarse como acondicionador de suelo o abono genérico. El resultado
es una mezcla constituida por metano (CH4) en una proporción que oscila entre un 50% y un
70% en volumen, y dióxido de carbono (CO2), conteniendo pequeñas proporciones de otros
gases como hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y sulfuro de hidrógeno (H2S).
El biogás tiene como promedio un poder calorífico entre 18,8 y 23,4 megajulios por metro
cúbico (MJ/m³). Este gas se puede utilizar para producir energía eléctrica mediante turbinas o
plantas generadoras a gas, en hornos, estufas, secadores, calderas u otros sistemas de
combustión a gas, debidamente adaptados para ese uso.
BIODIGESTOR
Un biodigestor es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia (en
ausencia de oxígeno) de las bacterias que ya habitan en el estiércol, para
transformar éste en biogás y fertilizante. El biogás puede ser empleado como
combustible en las cocinas e iluminación, y en grandes instalaciones se puede
utilizar para alimentar un generador que produzca electricidad. El fertilizante,
llamado biol, inicialmente se ha considerado un producto secundario, pero
actualmente se está considerando de la misma importancia, o mayor, que el
biogás, ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que
mejora mucho el rendimiento de las cosechas.
Los biodigestores familiares de bajo costo han sido desarrollados y están
ampliamente implantados en países del sureste asiático, pero en Sudamérica, solo
países como Argentina, Cuba, Colombia y Brasil tienen desarrollada esta
tecnología. Estos modelos de biodigestores familiares, construidos a partir de
mangas de polietileno tubular, se caracterizan por su bajo costo, fácil instalación y
mantenimiento, así como por requerir sólo de materiales locales para su
construcción. Por ello se consideran una ‘tecnología apropiada’. La falta de leña
para cocinar en diferentes regiones de Bolivia hacen a estos sistemas interesantes
para su difusión y divulgación a gran escala. Las familias dedicadas a
la agricultura suelen ser propietarias de pequeñas cantidades de ganado (dos o
tres vacas, por ejemplo) y pueden, por tanto, aprovechar el estiércol para producir
su propio combustible y un fertilizante natural mejorado. Se debe considerar que el
estiércol acumulado cerca de las viviendas supone un foco de
infección, olores y moscas que desaparecerán al ser introducido el estiércol
diariamente en el biodigestor familiar. También es importante recordar la cantidad
de enfermedades respiratorias que sufren, principalmente las mujeres, por la
inhalación de humo al cocinar en espacios cerrados con leña o bosta seca. La
combustión del biogás no produce humos visibles y su carga en ceniza es
infinitamente menor que el humo proveniente de la quema de madera.
LOS BIODIGESTORES FAMILIARES DE BAJO COSTO
Este modelo de biodigestor consiste en aprovechar el polietileno tubular (de color
negro en este caso) empleado en su color natural transparente en capas solares,
para disponer de una cámara de varios metros cúbicos cerrada herméticamente.
Este hermetismo es esencial para que se produzcan las reacciones biológicas
anaerobias.
El film de polietileno tubular se amarra por sus extremos a tuberías de conducción,
de unos 150 mm (6 pulgadas) de diámetro, con tiras elásticas recicladas de las
cámaras de las ruedas de los autos. Con este sistema, calculando
convenientemente la inclinación de dichas tuberías, se obtiene un depósito
hermético. Al ser el polietileno tubular flexible, es necesario construir una ‘cuna’
que lo albergue, ya sea cavando una zanja o levantando dos paredes paralelas.
Una de las tuberías servirá como entrada de materia prima (mezcla de estiércol
con agua de 1:4). En el biodigestor se alcanza finalmente un equilibrio de nivel
hidráulico, por el cual, según la cantidad de estiércol mezclado con agua que se
introduzca, saldrá una determinada cantidad de fertilizante por la tubería del otro
extremo.
Debido a la ausencia de oxígeno en el interior de la cámara hermética, las
bacterias anaerobias contenidas en el propio estiércol comienzan a digerirlo.
Primeramente se produce una fase de hidrólisis y fermentación, posteriormente
una acetogénesis y finalmente la metanogénesis por la cual se produce metano. El
producto gaseoso llamado biogás realmente tiene otros gases en su composición,
como son dióxido de carbono (20-40%), nitrógeno molecular (2-3%) y sulfhídrico
(0,5-2%), siendo el metano el más abundante con un 60-80%.
La conducción de biogás hasta la cocina se hace directa, manteniendo todo el
sistema a la misma presión: entre 8 y 13 cm de columna de agua dependiendo de
la altura y el tipo de fogón. Esta presión se alcanza incorporando en la conducción
una válvula de seguridad construida a partir de una botella de refresco. Se incluye
un ‘tee’ en la conducción, y mientras sigue la línea de gas, el tercer extremo de la
tubería se introduce en el agua contenida en la botella de 8 a 13 cm. También se
añade un reservorio, o almacén de biogás, en la conducción, permitiendo
almacenar unos 2 o 3 metros cúbicos de biogás.
Estos sistemas adaptados para altiplano han de ser ubicados en ‘cunas’
enterradas para aprovechar la inercia térmica del suelo, o bien dos paredes
gruesas de adobe en caso de que no se pueda cavar. Además se encierran los
biodigestores en un invernadero de una sola agua, apoyado sobre las paredes
laterales de adobe. En el caso de biodigestores de trópico o valle, el invernadero
es innecesario pero se ha de proteger el plástico con una semisombra.
Los costes en materiales de un biodigestor pueden variar de 110 dólares para
trópico a 170 dólares para altiplano, ya que en la altura tienen mayores
dimensiones y requieren de carpa solar.
El biogás para generación de electricidad
El biogás puede ser utilizado como combustible para motores diésel y a gasolina,
a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un
generador. En el caso de los motores diésel, el biogás puede reemplazar hasta el
80% del acpm (la baja capacidad de ignición del biogás no permite reemplazar la
totalidad del acpm en este tipo de motores que carecen de bujía para la
combustión). Aunque en los motores a gasolina el biogás puede reemplazar la
totalidad de la misma, en general en los proyectos a nivel agropecuario se le ha
dado preferencia a los motores diésel considerando que se trata de un motor más
resistente y que se encuentra con mayor frecuencia en el medio rural.
COMPOSICIÓN TÍPICA
Metano (CH4)
50% a 60%
Dióxido de Carbono (CO2)
40% a 50%
Compuestos Orgánicos No-Metánicos (NMOCs)
Trazas
Poder Calorífico
4166 kcal/Nm³
Contenido de Humedad
Saturado
METANO (CH4)
Incoloro
Inodoro e Insípido
Mas ligero que el aire
Relativamente insoluble en agua
Altamente explosivo
– Límite Inferior de Explosividad = 5% en el aire.
– Limite Superior de Explosividad = 15% en el aire.
¿Por qué el metano es un gas de efecto invernadero?
– El metano absorbe la radiación infrarroja terrestre (calor) que, de
otro modo, escaparía al espacio (característica de GEI).
El Metano es un GEI 21 veces más potente que el CO2.
El metano es más abundante en la atmósfera ahora que en los últimos
400.000 años y 150% más alto que en el año 1750.
FACTORES PRINCIPALES QUE AFECTAN FACTORES
PRINCIPALES QUE AFECTAN
LA PRODUCCION DE BIOGAS LA PRODUCCION DE BIOGAS
Cantidad de residuos depositados por año.
Composición de los desechos.
– Contenido de desechos orgánicos (fracción biodegradable).
– Humedad en los desechos.
– Tasa de degradación de los residuos.
– Temperatura de la masa de residuos.
Precipitación anual del sitio.
Operaciones y mantenimiento que afectan la generación del biogás.
– Compactación.
– Cobertura diaria.
– Control de lixiviados.
– Cobertura final.
ESTIMACION DE LA GENERACION DEL BIOGAS
--MODELOS LandGEM (v.3.02) - EPA E.E.U.U.
Modelo Mexicano de Biogás, 2.0 - EPA.
Modelo Ecuatoriano/Centroamericano de Biogás - EPA.
Modelo del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC 2006).
Modelo de Scholl Canyon. GasSim (UK)
