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Chamorro T. Marcos, Guerrero R. Anthony, Tunqui C. Paol y Cuchula R. Luis.
Emisiones de dióxido de carbono producidos por diferentes mezclas de etanol y gasolina Emissions of carbon dioxide produced by different mixtures of ethanol and gasoline
Chamorro T. Marcos 1, Guerrero R. Anthony 2, Tunqui C. Paol 2 y Cuchula R. Luis 3 Universidad continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Civil 2 Universidad continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Mecánica 3 Universidad continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Minas Avenida San Carlos N° 1980, Urbanización San Antonio, Huancayo-Perú 1
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RESUMEN
ABSTRACT
Para la presente investigación se buscó comparar las emisiones de gases en los vehículos de turismo que asistieron a Revisión Técnico Mecánica y de Gases en el período 2004, 2005 y 2006 en la ciudad de Huancayo- Perú. El objetivo fue determinar si las emisiones de gases a ralentí de los vehículos se reducían por el uso de Gasolina Convencional mezclada con un 10% de Alcohol Carburante (E-10) como combustible. La metodología se desarrolló con base en la ISO 14040 Análisis del Ciclo de Vida. Para realizar la comparación, se utilizó el software PCA 1.0. Éste permite consultar datos sobre el porcentaje de emisión por tipo de contaminante. Los valores de las emisiones de los Hidrocarburos del E-10 son mayores en porcentaje que las emisiones de Gasolinas Convencionales. En cuanto al Monóxido de Carbono las emisiones de los combustibles se comportan de manera casi similar. En el caso del Dióxido de Carbono, las emisiones de vehículos en el año 2018 en su mayoría no cumplían la norma, situación que se mejoró con el uso de E-10. Dodge es la marca que más emite gases en los dos combustibles y las que más emiten en E-10 son Fiat y Dacia. Finalmente, se concluyó que, a corto plazo, la electrólisis del agua y los reformados a pequeña escala de gas natural son convenientes. La electrólisis del agua oxi-hidrogeno (HHO) es una tecnología probada que se puede utilizar para el sector de transporte.
The gas emissions of the tourism vehicles that attended the Mechanical and Gas Technical Review in the period 2004, 2005 and 2006 in the city of Huancayo - Peru were compared. The objective was to determine if the emissions of idling gases of the touring vehicles were reduced by the use of Conventional Gasoline mixed with 10% of Fuel Alcohol (E-10) as fuel. The methodology was developed based on the ISO 14040 Life Cycle Analysis. To make the comparison, the PCA 1.0 software was used. This allows you to consult data on the percentage of emission by type of pollutant. The values of the emissions of the Hydrocarbons of the E10 are greater in percentage than the emissions of Conventional Gasolines. As for Carbon Monoxide, fuel emissions behave in an almost similar way. In the case of Carbon Dioxide, vehicle emissions in 2018 mostly did not meet the standard, a situation that was improved with the use of E-10. Dodge is the brand that emits most gases in the two fuels and those that emit the most in E10 are Fiat and Dacia. Finally, it was concluded that, in the short term, the electrolysis of water and small-scale reformers of natural gas are convenient. Water electrolysis is a proven technology that can be used for the transport sector.
Palabras claves:
Keywords:
Emisiones de C02, Sistemas de combustión, Gas natural vehicular, Etanol, Gasolina, HHO
C02 emissions, combustion systems, vehicular natural gas, Ethanol, Gasoline, HHO
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combustible se maneja típicamente como fuente de área para efectos de los inventarios de emisiones.
INTRODUCCIÓN Hoy en día son ampliamente reconocidos los problemas de contaminación ambiental, en particular el del aire, que dan lugar a la acumulación de riesgos para la salud y el bienestar de la población (Romieu I. 1995). Las emisiones de vehículos automotores están integradas por un gran número de contaminantes que provienen de muchos procesos diferentes (Figura1); de estas, se consideran con mayor frecuencia las emisiones del escape, resultantes de la combustión del combustible (Romieu I. 1995) Los contaminantes de interés clave en este tipo de emisiones incluyen: gases orgánicos totales (GOT), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx), material particulado (PM), gases tóxicos del aire (por ejemplo, 1, 3butadieno, benceno, formaldehído, etc.) y especies reductoras de visibilidad (e. g., amoniaco, sulfatos, PM2.5, etc.). Además de las emisiones del escape, los vehículos automotores registran una gran variedad de procesos de emisión evaporativas que se limitan a emisiones de GOT e incluyen:
Fuente: Fuente: Osorio, 2007. Figura 1 Emisiones automotores
generadas
por
vehículos
• Emisiones evaporativas del motor caliente: los cuales se presentan debido a la volatilización del combustible en el sistema de alimentación después de que el motor se ha apagado. El calor residual del motor volatiliza el combustible. • Emisiones evaporativas de operación: Son las emisiones ocasionadas por las fugas de combustible, como líquido o vapor, que se presentan mientras el motor está en funcionamiento. • Emisiones evaporativas durante la recarga de combustible: que constituyen las emisiones evaporativas desplazadas del tanque de combustible del vehículo durante la recarga. Estas pueden ocurrir mientras el vehículo está en reposo y en puntos conocidos, como las gasolineras. La recarga de
• Emisiones diurnas: estas emisiones del tanque de combustible del vehículo son causadas por una mayor temperatura del combustible y la presión de vapor de este. Estas emisiones se deben al incremento de la temperatura ambiente ocasionado por el sistema de escape del vehículo o por el calor reflejado en la superficie del camino. • Emisiones evaporativas en reposo: estas emisiones evaporativas son diferentes a las anteriores, ya que se presentan cuando el motor no está en funcionamiento. Las pérdidas en reposo se deben principalmente a fugas de combustible y a la permeación del vapor a través de las líneas de alimentación del combustible (Radian, 1997). Existen fuentes adicionales de emisiones de partículas (PM) de los vehículos automotores. Entre estas, la de mayor magnitud es el levantamiento de polvo del camino, que es el polvo recogido por las llantas del vehículo y suspendido en el aire por la turbulencia ocasionada por el movimiento. Las emisiones de polvo son manejadas, generalmente, como fuente de área en los inventarios de emisiones. Otras fuentes de PM no originadas en el escape incluyen el desgaste de las llantas y frenos. En general, estas fuentes son insignificantes cuando se comparan con las del escape y el polvo levantado y, por lo tanto, en algunas ocasiones son omitidas de los inventarios de emisiones (USEPA, 2013). La ecuación básica utilizada para estimar las emisiones de los vehículos automotores involucra los datos de actividad vehicular y un factor de emisión. Ep = KRV x FEp (1) Donde: Ep= Emisiones totales del contaminante p KRV= Kilómetros recorridos por el vehículo FEp = Factor de emisión del contaminante p Para los vehículos automotores, los datos de actividad se refieren a los kilómetros recorridos por el vehículo (KRV), mientras que los factores de emisión se expresan en unidades de gramos de contaminante por KRV. Los KRV representan la distancia total recorrida por una población de vehículos en un periodo de tiempo determinado. Es preferible que los KRV sean estimados a partir de modelos de transporte o de conteos de vehículos en circulación. En algunos casos, sin embargo, los KRV deben ser calculados a partir de las estadísticas de consumo de combustible. La ecuación básica de estimación presentada anteriormente es aplicable para la mayoría de los contaminantes gaseosos y partículas. Para otros contaminantes, tales como SOx y el plomo, las emisiones se calculan mediante un balance de combustible, con la suposición de que se emite la totalidad del azufre o plomo contenido en el combustible (Wark y Warne, 2007).
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Los factores de emisión para los distintos contaminantes se derivan del uso de modelos. La razón de esto es que las emisiones de los vehículos automotores son más complejas y dinámicas que la mayoría de los otros tipos de fuentes de emisiones. Por ejemplo, los cambios en las características del combustible, las velocidades de operación del vehículo, la tecnología para el control de emisiones, la temperatura ambiente y la altitud pueden afectar los factores de emisión. Con el objeto de incorporar estos y otros factores, generalmente se utiliza un modelo de factor de emisión que incluye los efectos de numerosos parámetros. El modelo MOBILE es un programa de cómputo integrado por rutinas elaboradas en lenguaje de programación Fortran y es utilizado para el cálculo de factores de emisión para distintos tipos de vehículos que operan tanto con motores de gasolina como de diésel. MOBILE calcula factores de emisión para veintiocho diferentes categorías vehiculares, las cuales son conformadas con base en criterios tales como el uso del vehículo, el tipo de combustible empleado, el peso bruto vehicular y la tecnología del motor. Adicionalmente, para cada categoría vehicular, MOBILE es capaz de estimar factores de emisión para veinticinco años-modelo, dentro de los años calendario de 1952 a 2050 (Hernández, 2009). MOBILE estima los factores de emisión para hidrocarburos, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, dióxido de carbono, material particulado (proveniente de varios componentes, como el desgaste de llantas y frenos, además de lo emitido por el escape del motor) y tóxicos como el benceno, metilterbutiléter, butadieno, formaldehído, acetaldehído y acroleína. En el presente artículo se exponen los resultados del proceso de cálculo de las emisiones generadas por la flota vehicular existente en el país a enero del 2010 y su evolución en los últimos siete años como mecanismo para identificar posibles áreas de intervención para reducir emisiones y mejorar la calidad del aire en el país.
tener por lo menos 10 vehículos estacionados en disposición de servicio, lo cual permitiría tener tiempo suficiente para la realización de la encuesta, que en promedio tardaba cuatro minutos en ser realizada completamente. Con la información recolectada por medio del instrumento se pudo determinar entre algunas variables, la proporción de taxis que utilizan como sistema de combustión la Gasolina, Gas Natural Vehicular, el consumo de cada tipo de combustible en pesos y los días trabajados a la semana. En la figura 2 se muestra la proporción de taxis que utilizan los diferentes sistemas de combustión.
Fuente: Osorio, 2007. Figura 2 Combustibles usados por los taxistas En las ciudades de Huancayo y El Tambo se conoce, que hay un aproximado de 2.669 taxis registradas a diciembre del 2015. Esta información permite realizar comparaciones poblacionales entre las cantidades de CO2 emitidas por los sistemas de combustión de Gasolina y Gas frente al Etanol, descartando al sistema de combustión que utiliza el ACPM por su baja representatividad en la población estudiada además de ser un SB que salió del mercado2, quedando pocos vehículos en circulación en la ciudad.
MATERIAL Y MÉTODO
RESULTADOS
Uno de los objetivos del estudio será mostrar cuanto dióxido de carbono emiten los vehículos públicos (taxis) de las ciudades de Huancayo, El Tambo y sus alrededores y comparar dichas emisiones con las emisiones que se producirían por la utilización del etanol en el sistema de combustión (SB)1 de cada subpoblación. 1
Se conoció teóricamente que el Etanol presenta un aumento en el consumo de masa por la disminución del poder calorífico. Este efecto repercute en el aumento de consumo volumétrico de la mezcla que se esté utilizando. Los estudios realizados en esta investigación, permiten cuantificar este aumento en una proporción que puede ser aproximada de manera lineal con un coeficiente de correlación superior al 95%, como muestra la figura 3. Para el cálculo del aumento del consumo volumétrico para cada mezcla, respecto del consumo volumétrico de gasolina pura, se puede usar la ecuación aproximada:
Para el logro de este objetivo se realizó una encuesta al sector de los taxistas usando un muestreo sistemático, teniendo un K = 5, es decir cada 5 taxis se realizaba una encuesta. Se aplicaron 348 encuestas, teniendo un margen de confianza del 95% y una cuota de error del 5% para la muestra seleccionada. Las encuestas fueron aplicadas en 12 diferentes sitios de la ciudad, elegidos a partir de una encuesta piloto sobre los lugares de mayor estacionalidad de taxis llamados estacionamientos. Los sitios se eligieron bajo el criterio de que cada lugar debía
Consumo = 0,394x – 0,063% Donde el resultado está dado en porcentaje y x – es la mezcla utilizada medida en porcentaje de Etanol
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Tabla 1 Gas-Etanol Combustible
Fuente: Osorio, 2007. Figura 3 Aumento del consumo
Gas
Total emisión de CO2 Toneladas al mes 889
E-10
1243
E-20
1191
E-40
1172
E-60
1158
E-80
1148
E-85
1147
E-100
1145
Combustión del Etanol
Fuente: Osorio, 2007.
La combustión de 1 litro de Etanol, pesando 0,80 kilogramos, está representada en la fórmula 2:
Inicialmente se calculó el consumo de galones promedio de la población taxista que utiliza Gasolina (58,9%) y el consumo de galones necesarios para satisfacer está población con las diferentes mezclas analizadas, teniendo en cuenta el aumento de consumo de galones por la utilización de la gasolina oxigenada en diferentes porcentajes.
C2H5Oh (46) + 3O2 (96) = 2CO2 (88) + 3H2O 142 = 142 Por la combustión del litro de Etanol se emite a la atmosfera 1,53kg de CO2 Combustión del GNV (Gas Natural Vehicular) La combustión de un m3 de metano GNV, está dada por la fórmula 3 CH4 (16) + O2 (64) =CO2 (44) +2H2O 80 = 80 Teniendo una emisión de CO2 de 1,51 kilogramos Conociendo la cantidad de emisión por cada combustible se realizó el análisis ambiental, utilizando las estimativas poblaciones presentados para la población de taxis de Huancayo y El Tambo. GAVIRIA, L (2010). C8H18 (114) + 12,5 O2 (400) = 8CO2 (352) + 9H2O
Fuente: Osorio, 2007. Figura 4 Consumo de galones de la mezcla (etanolgasolina) al mes
514 = 514 En este ciclo de combustión se emiten a la atmosfera 2,28 kg de CO2 (Los valores que están entre paréntesis son los pesos moleculares de los compuestos). Estimaciones similares realizadas en la población de taxistas que usa como sistema de combustión el GNV “Gas Natural Vehicular” presenta conclusiones divergentes, debido posiblemente a la dificultad de comparar los patrones de medida de gases y líquidos en los diferentes sistemas. Sin embargo, se puede afirmar que, frente al Gas, como lo muestra la tabla 1 el Etanol emite a la atmosfera más CO2.
La nomenclatura E10 hace referencia a la mezcla utilizada siendo el Etanol al 10% y la Gasolina al 90%, para lo cual el número que acompaña a la E indica el porcentaje de Etanol usado en la mezcla. Conociendo el consumo mensual de galones para la población de combustible y la cantidad de CO2 emitido al medio ambiente por la combustión de un litro del Etanol y la gasolina, se puede determinar las toneladas CO2 emitidas por esta población. Los resultados son mostrados en la figura 5.
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emisiones producidas al mes teóricamente. Esta comparación se muestra en la tabla 2. Tabla 2 Emisiones Experimentales Vs Teóricas Total Emisiones de CO2 Toneladas al mes
Combustible
Experimental
1458 Gasolina 655 GNV Fuente: Osorio, 2007.
Teórica
Variación
1735 889
315 234
En la tabla 2, las emisiones tomadas experimentalmente son menores a las emisiones propuestas teóricamente.
Fuente: Osorio, 2007. Figura 5 Emisión de CO2 del etanol al mes Este estudio demostró que, aunque la utilización del Etanol mezclado con la Gasolina aumenta el consumo linealmente a la mezcla utilizada (Figura 3), la emisión de CO2 a la atmosfera decrece cúbicamente con el aumento de la proporción de Etanol en la mezcla utilizada (Figura 5). Un coeficiente de correlación de 0,9939 demuestra la bondad teórico ambiental del uso del Etanol en diferentes proporciones de mezcla, frente al uso de Gasolina pura. No obstante, no se puede obviar la bondad que tiene el etanol por ser un agente neutro, por lo tanto, no contribuye a la generación del efecto invernadero como es expresado gráficamente en la figura 6, y como ya se mencionó, la producción misma del etanol incluye en su proceso, el crecimiento de plantas que disminuyen directamente el contenido de CO2 en la atmósfera y aumentan la producción de oxígeno.
DISCUSIONES Felipe Soto Pao (Ph. D Brasileño, especialista en biocombustibles), en la conferencia de Biocombustibles realizada en la Universidad Libre seccional Pereira a finales de marzo del 2009, en la ponencia “Motores anhidros e hidratados” hace referencia a los kilogramos emitidos a la atmosfera por la combustión de la Gasolina y el Etanol. De los estudios del doctor Soto se puede concluir que la combustión de 1 litro de Gasolina o su equivalente en masa - 0,74 kilogramos presenta el siguiente ciclo de combustión y su ecuación de balance representada por la fórmula 1. Las emisiones teóricas corresponden a un nivel óptimo de los vehículos es decir vehículos nuevos. Las emisiones experimentales se realizaron sobre vehículos a los cuales se les realizaron varias modificaciones en el sistema de combustión que se reflejan en una notable disminución del CO2. OSORIO, G (2007).
Conclusión El desarrollo de este trabajo de investigación permitió concluir que: aunque la utilización del Etanol mezclado con la Gasolina aumenta el consumo volumétrico de combustible siendo para E85 del 27%, las mezclas Etanol - Gasolina presenta menores emisiones de CO2 en comparación a la utilización de la Gasolina actual E10 siendo esta reducción del 8% para E85. Fuente: Osorio, 2007. Figura 6 El ciclo del carbón y la conversión de la energía solar Información encontrada en la página web de mundo motor MOSQUERA, J (2010). menciona que por cada kilómetro recorrido por un vehículo que usa en el SB la gasolina, se emite a la atmosfera 154 gr de CO2, y en los automóviles que usan en el SB el GNV emite a la atmosfera 119 gr de CO2 por kilómetro recorrido, permitiendo esta información ser comparada con las
Sin embargo, al comparar los sistemas de combustión que usan el Gas Natural Vehicular (GNV), el cambiar el combustible a Etanol representa un aumento en las emisiones de CO2. Esto significa que, desde una primera aproximación, es ecológicamente más rentable la utilización del GNV que las mezclas Gasolina – Etanol. Estudios futuros deben considerar el ciclo completo de producción – combustión de Etanol a fin de presentar afirmaciones más concluyentes sobre la bondad ecológica del uso de Etanol sobre el GNV.
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Romieu I. 1995. Estudios epidemiológicos sobre los
REFERENCIAS
efectos en la salud por la contaminación del
Radian, 1997. Development of the Hazardous Air Pollutant Emissions Inventory for Ambos
aire de origen vehicular. En: Mage DT, Zali
Nogales. Prepared for the Arizona
O, eds. Contaminación atmosférica causada
Department of Environmental Quality by
por vehículos automotores. Ginebra:
Radian International, Sacramento, California.
Organización Mundial de la Salud. Usepa 2013. U. S. Environmental Protection Agency.
July.
Inventory of U. S. Greenhouse gas emissions
LACASAÑA, M.N., AGUILAR, C.G., ROMIEU, I., 1999. “Evaluación de la contaminación del
and sinks: 1990-2011. Washington, dc, ee.
aire e impacto de los programas de control en
uu.: [nscep] National Service Center for
tres mega ciudades de América latina”, Salud
Environmental Publications. Wark, Kenneth & F. Warner, Cecil. 2007.
pública de México, vol. 41, No 3, pp. 203-
Contaminación del aire: origen y control / K.
215, mayo 1999, [online]:
Wark, C.F. Warner; tr. por Carlos Albeto
http://www.scielosp.org/pdf/spm/v41n3/41n3a08.pdf Gaviria. L.G. 2013. “Diseño, Construcción y prueba de sistemas Full flex E (85) de alta eficiencia con turbocompresores implementado en un vehículo
con
motor
de
aspiración
atmosférica” trabajo de grado Facultad de ingeniería Mecánica UTP. pp 117 MOSQUERA, J.D., ORTIZ, C.D. 2010. “Viabilidad económica y mecánica para la conversión de motores de combustión interna a sistemas total flex o flex fuel” trabajo de grado, Facultad de Ingeniería Industrial UTP, pp 6080 http://www.mundoautomotor.com/eco/2008/06/21/cit roen-c3-gnv/- último enlace Abril 28-2010 OSORIO, G.G., VIGANÓ, R. 2007.” Propuesta de solución bimodal al problema de la contaminación vehicular urbana”, Revista ingeniería e investigación, vol. 27, No 3, pp. 143-148, [online]: http://www.scielo.org.co/pdf/iei/v27n3/v27n3 a16.pdf ACUÑA, F.G., MUÑOZ, V.Y. 2001 “Celdas de combustible”. Ingeniería y desarrollo, Vol.10, pp. 94-104 [online] : http://ciruelo.uninorte.edu.co/pdf/ingenieria_d esarrollo/1 0/celdas_de_combustible.pdf
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García Ferrer.