Federico Franck*, Ricardo Marchese**, L. Patricia Garolera De Nucci*, Gerónimo Cárdenas*, Dora Paz*y Marcelo Ruiz*,»EEAOC,FACET-UNT,FRT-UTN.
E-mail: federicofranck@eeaoc.org.ar
Consideraciones generales
Las propiedades a tener en cuenta al formular una nafta contemplan tanto sus características físicas como químicas, de manera de garantizar su distribución y buen desempeño en el automóvil, así como para evitar el deterioro del medio ambiente.
Las especificaciones que se requieren en la formulación de las naftas responden a dos criterios: a) satisfacer a los requerimientos del diseño del motor para su buen desempeño y b) alcanzar un nivel de contaminación ambiental mínimo, tanto durante su manipulación y almacenamiento como en los gases emanados por el escape del automotor durante la combustión.
En las últimas décadas, el agregado de compuestos oxigenados a la nafta ha sido objeto de múltiples estudios. El uso de alcoholes como aditivos, incrementa el número octano (N.O.) de las naftas, lo que permite que el contenido de aromáticos nocivos para la salud sea reducido en la nafta base, disminuyendo de esta manera las emisiones contaminantes al medio ambiente.
La relación de hidrógeno/carbono del etanol es 3,0; mientras que para la nafta es de 1,85. Por ser el hidrógeno el principal componente energético, la mejor relación hidrógeno/carbono del etanol es causal de que, a iguales cantidades de energía generada por la combustión, en el caso del etanol sea menor la cantidad de CO2 producida. Adicionalmente, a diferencia del CO2 que se genera con la combustión de la nafta que proviene de carbono fósil, el CO2 generado en la combustión del etanol fue previamente capturado de la atmósfera por la planta de caña de azúcar o de maíz, con lo cual el empleo de etanol es mucho más favorable desde el punto de vista del ciclo de carbono.
Estudios realizados por la EEAOC y la UNT analizaron el perfil ambiental de la producción de bioetanol de caña de azúcar para las actuales condiciones de Tucumán y la comparación del uso energético de nafta y mezclas de etanol-nafta en un automóvil estándar, mediante la técnica denominada análisis de ciclo de vida. El sistema analizado fue la producción simultánea de azúcar y etanol anhidro, considerando los subsistemas campo, ingenio azucarero y destilería. Los resultados del estudio desde el punto de vista del cambio climático fueron alentadores. Hay una mejora apreciable con el agregado de bioetanol al combustible fósil. Considerando el uso de la nafta y E100 en un motor, se encuentra que con E100 se genera una reducción de emisiones de CO2 del 40% respecto a la nafta. Así se explica que el impacto en cambio climático sea mayor para el combustible fósil que para el biocombustible. La tabla 1 muestra la reducción de emisiones de CO2 para distintas mezclas combustibles.
Estos valores pueden ser optimizados, lo que se conseguirá con el afianzamiento de la producción de bioetanol para uso combustible en el país. Análisis similares efectuados por centros de investigación de otros países constatan resultados similares. En Brasil, la mitigación de emisiones de GEI alcanza un valor de 89% al reemplazar la nafta por el bioetanol teniendo en cuenta 50% de cosecha mecanizada y producción de bioelectricidad, en el ciclo de vida completo del biocombustible.
A continuación se detallan las principales complicaciones, desde un mero punto de vista técnico, en el uso de la mezcla etanol/nafta como combustible de vehículos, y algunas consideraciones al respecto:
1) La modificación de los requerimientos de volatilidad de las naftas, ya que estas características definen y controlan el arranque, calentamiento, aceleración, formación de trampas de vapor, etc., en los motores: Esto se corrige con un adecuado manejo por parte de las empresas petroleras, produciendo naftas base estacionales tales que permitan cumplir estos requerimientos cuando sean mezcladas con etanol en diferentes épocas del año.
2) La solubilidad en todas proporciones de los alcoholes en agua y su preferencia por la fase acuosa respecto a la nafta: El etanol, que siempre posee algo de agua, es miscible o no, con naftas, dependiendo de la proporción final de etanol, nafta y agua, y de la temperatura. Para cada proporción de etanol en la mezcla, si la temperatura disminuye hasta ciertos límites, se puede producir separación de fases lo que genera inconvenientes tanto en los vehículos como en los tanques de almacenamiento. Sin embargo, con los procedimientos actualmente en uso en los procesos de distribución, raramente ocurren problemas de separación de fases en virtud de que la humedad es mantenida en un mínimo, con lo cual este aspecto no aparece como un problema.
3) La necesidad de modificación en los motores convencionales, o el empleo de motores tipo “Flex” a partir de un cierto porcentaje de etanol: En el caso de aumentar el corte a valores por arriba del 20% de etanol, se requieren modificaciones en la parametrización de la computadora o centralita de los motores, relacionadas principalmente con los diferentes avances de encendido necesarios; y hacia mayores cortes, se requieren además modificaciones físicas en los motores, principalmente en relación a la diferencia de caudal de combustible requerido debido al menor poder calorífico del etanol. Dichas modificaciones son técnicamente factibles, sin embargo, aunque, especialmente las primeras son relativamente sencillas para una amplia gama de vehículos del actual parque automotor, para los vehículos más antiguos no lo son. Estas modificaciones ya vienen incorporadas en los vehículos con motores tipo “Flex” (que nuestro país produce y exporta), que además permiten emplear una variada gama de cortes de etanol sin problemas. Debido a esto último, estos vehículos pueden ayudar a realizar un cambio de tecnología en forma gradual y progresiva, sin afectar la disponibilidad de vehículos más antiguos.
Rendimiento
En la ciencia de los motores de combustión interna se busca principalmente, con el mínimo impacto ambiental, aumentar el rendimiento efectivo. Este se define como la relación entre la energía aprovechada (en mover el vehículo en nuestro caso, kilómetros recorridos) y la energía química (poder calorífico) contenida en el combustible empleado. Como tal es el rendimiento más adecuado desde un punto de vista energético.
Para un mismo motor, sin modificaciones, el rendimiento efectivo varía muy poco en función del tipo de combustible que emplee. En el caso de cambiar nafta pura por etanol puro, este aumenta levemente debido a la mejor combustión del etanol en comparación con la de la nafta.
Además, también aumenta la potencia, debido al mayor enfriamiento que produce el etanol al evaporarse al ingresar al motor con respecto al producido por la nafta.
Cuando se evalúa el consumo respecto de la energía aprovechada, este puede cambiar fundamentalmente en función del poder calorífico de los combustibles.
En base a los poderes caloríficos del etanol y de la nafta puede obtenerse la variación teórica entre el consumo, en litros, para distintos cortes:
Utilizando E100 tendríamos teóricamente un consumo 53% mayor que para nafta pura. Para E10, un 3,5% mayor en litros; para E12, un 4,3% mayor; y para E15, un consumo 5,4% mayor.
En la práctica estos valores suelen ser menores, debido al pequeño incremento del rendimiento efectivo indicado más arriba. Por lo tanto, el aumento en el consumo por pasar por ejemplo de E12 a E15, será menor al 1,1%.
Ahora bien, si en un mismo motor se emplean distintos combustibles, el motor debe ser diseñado para el combustible de menor calidad respecto de la resistencia al auto-encendido, es decir para el de menor número octano. A medida que el combustible de menor calidad empleado tenga un mayor número octano, los motores pueden ser diseñados, o modificados, para lograr un mayor rendimiento. En tal sentido, el etanol puro tiene mayor número octano que la nafta pura, por lo que cuanto mayor sea el corte mínimo, mayor será el número octano de la mezcla y mayor podrá ser el rendimiento de los vehículos, con lo que disminuiría el consumo de energía neta empleada para un mismo requerimiento (igual cantidad de kilómetros recorridos) y disminuirían aún más las emisiones de gases de efecto invernadero. En otras palabras, el empleo de etanol permite utilizar motores con mayor relación de compresión y mejorar así el rendimiento de los vehículos, estrategia que ya se viene considerando en USA.
Algunos antecedentes en Tucumán
En la FACET-UNT a través del anteriormente Instituto de Ingeniería Mecánica, actual Departamento de Mecánica, comenzaron los trabajos sobre el uso del etanol como combustible en el año 1975 con el Prof. Ing. Eduardo V. Vallejo, quien dejó plasmados a través de numerosas publicaciones los ensayos y estudios científicos realizados. Cabe destacar la gran colaboración prestada en esas etapas por el Prof. Ing. Oscar Sanchez Loria en los ensayos de laboratorio y por el eminente Prof. Dr. Rolf J. Focke como consultor. Paralelamente junto al Área Industrial de la EEAOC, a través la entonces Sección Agroindustria, actualmente Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales, y con la dirección del Prof. Dr. Jose Luis Bustos, se realizaron pruebas de campo con mezclas de etanol y nafta, denominadas alconaftas, en diversos vehículos del parque automotor, y en diferentes zonas del país, lográndose excelentes resultados.
Estos ensayos y pruebas de campo permitieron arribar a conclusiones que constituyeron las bases que requerían el Gobierno de la Provincia de Tucumán y la Secretaría de Energía de la Nación para iniciar el uso masivo de estas mezclas en el marco del “Programa Alconafta”, que comenzó en la provincia de Tucumán en 1981 y luego se extendió a 12 provincias, hasta su finalización en el año 1989 principalmente por falta de actualización de los precios fijados para el etanol. En aquel entonces el corte con las diferentes motonaftas denominadas Súper y Común representaba el 15% v/v de etanol anhidro, logrando con ello el número octano requerido por ambos combustibles.
Actualmente desde el Dpto. de Mecánica de la FACET-UNT, con nuevas tecnologías y equipos, se siguen desarrollando propuestas y pruebas, sobre mezclas de motonaftas con etanol en porcentajes variables, y motores alimentados por biocombustibles. Desde la EEAOC se trabaja en temas relacionados al empleo de biocombustibles, mediante distintos planes de investigación: Mejoramiento de la sostenibilidad de la producción de alcohol combustible; Factibilidad técnico – económica de producción de Bioetanol; Evaluación de cultivos no tradicionales para la producción de biocombustibles; Estudios económicos y de mercado de la producción de biocombustibles y de nuevas tecnologías; Sustentabilidad en la agroindustria; Optimización del procesamiento de la caña de azúcar para la producción integrada de azúcar y alcohol; entre otros.
Conclusiones
El etanol constituye un excelente biocombustible que configura una alternativa sustentable, que cumple con un mejor ciclo de carbono que la nafta. En lo inmediato, en función de las temperaturas de nuestro país, la capacidad instalada de producción de etanol, y con las tecnologías actuales, las mezclas con etanol anhidro deben formularse en proporciones mayores al 5% de bioetanol. Si bien hoy se emplean mezclas con 12%, desde un punto de vista estratégico, y con prescindencia de otras consideraciones, es recomendable el empleo de mayores cortes de etanol, diversificando así la matriz energética con mayor participación de renovables, mejorando la seguridad energética, fortaleciendo el autoabastecimiento energético, generando puestos de trabajo y disminuyendo emisiones de CO2, CO, NOx, SOx, entre otros beneficios.
Las precauciones a ser tenidas en cuenta (sobre materiales a ser empleados, formación de sulfatos; uso de desnaturalizantes para etanol; separación de fases; número octano; contenido de oxígeno; contenido energético; eficiencias; arranque en frío; presiones de vapor, volatilidad y curva de destilación; calor de vaporización; temperatura de llama; contenido energético; acidez y oligoelementos; corrosividad; detergencia; almacenamiento y estabilidad; seguridad; etc.) para el empleo de etanol en naftas son aspectos que ya están resueltos en la actualidad por todos los actores intervinientes (empresas petroleras, distribuidoras, fabricantes de automóviles, etc.). El aumento en el corte a un 15% de etanol puede ser realizado sin problemas con un manejo adecuado con la tecnología actual en el país (petroleras, distribuidores, parque automotor, etc.). No se avizoran problemas técnicos resultantes de la mezcla de nafta con 15% de etanol. Si bien en el corto plazo estarían dadas las condiciones para aumentar el corte a un 15%, es importante considerar oportunamente los esfuerzos para implementar en el mediano plazo sistemas tipo “Flex”, de mezclas con mayores porcentajes de etanol, como el sistema E85, consistente en mezclas entre E10 y E85, empleado principalmente en Europa y EE.UU; o un sistema similar al de Brasil (E20 – E100), pero adaptado a porcentajes de mezclas convenientes para nuestro país. Estos sistemas tienen la ventaja de permitir ir incorporando progresivamente vehículos, y sistemas, más sustentables para el transporte, sin afectar la disponibilidad del actual parque automotor.
Bibliografía citada
Informe a la Cámara Argentina de Alcoholes. Ing. Alberto. P. Garibaldi
El uso de alcohol en mezclas carburantes para automotores. El alcohol combustible. Recurso Energético Nacional .Suplemento Avance Agroindustrial.
Informe Área de Investigación y Tecnología Industrial. 2009. Avance Agroindustrial. 46-47.
Informe Técnico Científico a la Secretaría de Energía de la Nación Sólimo, Marchese, Hernández.Garolera De Nucci, L. P.
Análisis de ciclo de vida de la producción de bioetanol en Tucumán. 2016. Trabajo Final Integrador Especialización en Ingeniería Bionergética. UTN. Garolera De Nucci, L. P.; F. D. Mele; A. L. Nishihara Hun y G. J. Cárdenas. 2017.
Estudio comparativo de diferentes mezclas nafta/etanol de caña de azúcar usando el enfoque de Ciclo de Vida. Rev. Ind. y Agríc. de Tucumán. 94 (2): 47-58
