04 diesel biogás do
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Fiorella del Carmen Alvaro Cabrera
Reducción de emisiones contaminantes
mediante la substitución parcial de diesel por
biogás en un motor-generador de ciclo Diesel
Tesis entregada como parte de los requerimientos para optar
el Título Profesional de Ingeniero Industrial
Orientador:
Juan José Milón Guzmán Universidad Católica San Pablo
Co-Orientador:
Sergio Leal Braga
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Arequipa, mayo de 2012
Fiorella del Carmen Alvaro Cabrera
Reducción de emisiones contaminantes
mediante lasubstitución parcial de diesel por
biogás en un motor generador de ciclo Diesel
Tesis entregada como parte de los requerimientos para optar
el Título Profesional de Ingeniero Industrial
Juan José Milón Guzmán
Universidad Católica San Pablo
Sergio Leal Braga Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Hugo Guillermo Jiménez Pacheco
Universidad Católica San Pablo
José Alberto Aguilar Franco Universidad Católica San Pablo
Alonso Portocarrero Rivera
Universidad Católica San Pablo
Arequipa, mayo de 2012
Todos los derechos reservados. Está prohibida la reproducción total o parcial del trabajo sin la autorización de la universidad, del autor y de los orientadores.
Fiorella del Carmen Alvaro Cabrera Se graduó en Ingeniería Industrial en la Universidad Católica San Pablo, Carrera Profesional de Ingeniería Industrial, Asistente de Investigación del Laboratorio de Investigación Tecnológica en Energía, LITE-UCSP, actualmente se desempeña como Ingeniera de Investigación en el Instituto de Energía y Medio Ambiente de la UCSP, Perú.
Ficha Catalográfica
Alvaro Cabrera, Fiorella del Carmen
Reducción de emisiones contaminantes mediante la substitución parcial de diesel por biogás en un motor generador de ciclo Diesel/Fiorella del Carmen Alvaro Cabrera; Asesores: Juan José Milón Guzmán – UCSP; Sergio Leal Braga – PUC-Rio, Programa Profesional de Ingeniería Industrial, 2011.
v. 92p: il.; 29,7cm 1 - Tesis - Universidad Católica San Pablo, Programa Profesional
de Ingeniería Industrial. Incluye referencias bibliográficas. 1 - Ingeniería Industrial - Tesis. 2 – Substitución de diesel por
biogás. 3 – Motores de combustión interna. 4 – Reducción de emisiones. Milón, J.J., Braga, S.L. II. Universidad Católica San Pablo, Programa Profesional de Ingeniería Industrial.
AGRADECIMIENTOS
Antes que todo, agradezco a Dios, por darme siempre todo lo mejor de la
vida y así, permitirme alcanzar objetivos, que incluso, algunas veces no imagino.
Agradezco a Juan José Milón Guzmán, mi orientador, mi mentor y mi gran
amigo, por enseñarme todo lo que sé con mucha paciencia, decisión, afición y
ánimo. Le agradezco por haberme brindado, desde que lo conozco, un millón de
oportunidades, seleccionándolas siempre para mi bien.
A mi co-orientador, Sergio Leal Braga, por abrirme las puertas, junto con
Juan José, a la diversidad de oportunidades que el mundo tiene para ofrecerme y
por brindarme desde ahora la posibilidad de trabajar con él.
Agradezco a mis padres, Maria del Carmen Cabrera Seminario y Eduardo
Alvaro Dueñas, por su voluntad inquebrantable para fortalecer mis capacidades y
por enseñarme el valor de una persona y su conocimiento. Agradezco a mi
hermana Maria Claudia, por arrancarme decenas de sonrisas luego del trajín del
día. Agradezco a toda la familia Cabrera Seminario, mi familia, porque con el
cariño que me brindan estimulan mi deseo de ser una mejor persona, en todos
los aspectos.
A mis grandes amigos, Herbert Del Carpio, Yubalena Salas, José Alberto
Aguilar, Hugo Jiménez, Edgardo Cueva y Marco Cárdenas. Sin su apoyo y excesiva
paciencia, sé que no estaría donde estoy ahora. Les agradezco por brindarme
siempre su apoyo, principalmente en los momentos de mayor tensión.
Al equipo técnico del Proyecto, que hizo posible el desarrollo de este
trabajo de investigación, aportando con conocimientos que probablemente no
alcance en un buen tiempo: César Yare, Severino De Souza Wanderley y Nestor
CorreaCotelo.
Al Ing. Enrique Lozada, pues su indomable espíritu investigador, que
admiro mucho, impulsó el desarrollo de este trabajo y me contagia siempre de
ímpetu para aprender y conseguir cada vez más logros.
A la Universidad Católica San Pablo y a sus autoridades por haber
confiado en mí desde el inicio y haber apoyado en muchos sentidos mi desarrollo
profesional.
Al Instituto de Energía y Medio Ambiente de la UCSP, del cual con gran
alegría afirmo, que siento parte de mí, pues creo que todos nosotros, amigos,
hemos contribuido con su establecimiento y desarrollo, y lo seguiremos
haciendo.
Al FINCyT (Ministerio de la Producción) por el apoyo financiero para el
desarrollo de la investigación en la planta de Fundo América S.A.C., empresa del
Ing. Enrique Lozada.
RESUMEN
Fiorella del Carmen Alvaro Cabrera, Juan José Milón Guzmán, Sergio Leal Braga (Asesores). Reducción de emisiones contaminantes mediante la substitución parcial de diesel por biogás en un motor generador de ciclo Diesel. Arequipa, 2012. 92 p. Tesis para obtener el Título de Ingeniero Industrial – Programa Profesional de Ingeniería Industrial, Universidad Católica San Pablo.
En los últimos años, las empresas agroindustriales en Perú han empezado a implementar equipos para la digestión anaeróbica de residuos orgánicos provenientes de su producción. Inicialmente, el objetivo principal de la instalación era la obtención de biofertilizantes; sin embargo, en este proceso, se obtenía también biogás. Las empresas en Perú no utilizan este combustible en ningún proceso, por lo que lo liberan o lo queman en antorchas, contaminando el medio ambiente de ambas maneras, debido al contenido de metano presente en el biogás. Este último combustible tiene un alto Potencial de Calentamiento Global (GWP) y el dióxido de carbono, resultado de la quema del biogás, es también un contaminante. En este contexto, un dispositivo experimental fue diseñado y construido para evaluar el desempeño de un motor-generador de ciclo Diesel utilizando diesel y biogás como combustibles. Las pruebas fueron inicialmente realizadas en modo diesel como combustible para obtener parámetros comparables. Se realizaron pruebas simulando una carga eléctrica de 25 kW. Luego de esto, se instaló un kit electrónico de conversión para permitir el uso de biogás en el motor. Este equipo controla el DutyCycle, que es un valor entre 0 y 1 que indica el porcentaje de tiempo que los inyectores se encuentran abiertos. El kit utilizó como señales la potencia generada, la señal del gobernador electrónico y la temperatura de los gases de escape. Luego, se realizaron las pruebas sustituyendo parcialmente el diesel por el biogás. El biogás utilizado en las pruebas contuvo aproximadamente 40% de metano. Los resultados indicaron que para mayores DutyCycle (mayores cantidades de biogás), las temperaturas se incrementaron, debido a la temperatura superior de combustión del biogás. Con el porcentaje de metano disponible en el biogás, las tasas de substitución alcanzaron el 17,9% y el 36,7%, manteniendo la potencia generada y reduciendo significativamente el consumo de diesel. Esta tecnología hace posible la producción modular de energía eléctrica en empresas agroindustriales, usualmente aisladas, permitiendo el uso de biogás producido en los mismos lugares con los residuos orgánicos que manejan, reduciendo la contaminación y los costos, y permitiendo la utilización de la energía del biocombustible para un propósito útil. Palabras Clave
Substitución parcial diesel-biogás, purificación de biogás, compresión de biogás, reducción de emisiones contaminantes.
ABSTRACT
Fiorella del Carmen Alvaro Cabrera, Juan José Milón Guzmán, Sergio Leal Braga (Advisers). Reducción de emisiones contaminantes mediante la substitución parcial de diesel por biogás en un motor generador de ciclo Diesel. Pollutant emissions reduction through the partial substitution of diesel with biogas in a Diesel cycle engine generator.Arequipa, 2012.92 p. Thesis for the Degree of Industrial Engineer – Industrial Engineering Program, San Pablo Catholic University.
In recent years, agricultural farms in Peru have started to implement equipment for anaerobic digestion of the organic residues of their production. At first, the main objective of the implementation was to obtain bio-fertilizers, but in this process, biogas was also obtained. Farms in Peru did not use this biofuel in any process, that is why they freed it or burnt it in torches, polluting the environment in both ways, due to the biogas content of methane. This last fuel has a high global warming potential (GWP) and carbon dioxide, result of the biogas burning is also a pollutant. In this context, an experimental device was designed and built to evaluate the performance of a Diesel cycle engine generator set using diesel and biogas as fuels. The tests were initially carried out using only diesel as fuel to obtain comparable parameters. The tests were made simulating an electric load of 25 kW. After this, a conversion kit was installed to allow the use of biogas in the engine. This equipment controls the Duty Cycle, which is a value between 0 and 1 that indicates the percentage of time the injectors are opened. The kit used as input signals the generated power, the electronic governor signal and the exhaust gases temperature. Then, tests were carried out partially substituting diesel for biogas. The biogas used for the test contained approximately 40% of methane. The results indicated that for higher Duty Cycles (higher quantities of biogas), the exhaust temperatures increased, due to the superior temperature of biogas combustion. With the percentage of methane available in the biogas, the substitution rates reached 17,9% and 36,7%, maintaining the generated power and reducing significantly the consumption of diesel. This technology makes possible the modular production of electric energy in agricultural farms, usually isolated, allowing the use of biogas commonly produced in the same place with the organic residues they manage, diminishing pollution, reducing costs and using the energy for useful purposes. Keywords
Partial substitution of diesel with biogas, biogas purification, biogas compression, reduction of pollutant emissions.
Tabla de contenido
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 14
1.1. MOTIVACIÓN ............................................................................................................... 15
1.2. OBJETIVOS DE LA TESIS ................................................................................................ 16
1.2.1. GENERAL ..................................................................................................................... 16
1.2.2. ESPECÍFICOS ................................................................................................................ 16
2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 18
2.1. MOTORES GENERADORES DE CICLO DIESEL ................................................................. 18
2.2. PROPIEDADES DEL BIOGÁS COMO COMBUSTIBLE ....................................................... 20
2.3. ESTÁNDARES DE CONCENTRACIÓN DE CONTAMINANTES EN EL BIOGÁS ..................... 21
2.3.1. SULFURO DE HIDRÓGENO (H2S) ................................................................................... 22
2.3.2. DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) ....................................................................................... 23
2.3.3. VAPOR DE AGUA (H2O) ................................................................................................ 26
2.3.4. OTROS CONTAMINANTES ............................................................................................ 27
2.4. SUBSTITUCIÓN PARCIAL DE DIESEL POR COMBUSTIBLES GASEOSOS ........................... 28
2.5. EMISIONES CONTAMINANTES DE LOS MOTORES DE CICLO DIESEL .............................. 30
2.5.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS EMISIONES CONTAMINANTES ............................................ 31
2.5.2. EFECTOS DE LOS CONTAMINANTES EN LA SALUD HUMANA ........................................ 33
2.6. VENTAJAS Y DESAFÍOS DE LA SUBSTITUCIÓN PARCIAL DE DIESEL POR BIOGÁS ........... 35
2.6.1. VENTAJAS .................................................................................................................... 35
2.6.2. DESAFÍOS..................................................................................................................... 36
3. LEVANTAMIENTO DEL ESTADO DEL ARTE ......................................................................... 37
3.1. POSICIONAMIENTO DEL TRABAJO ............................................................................... 43
3.2. ALCANCE Y LIMITACIONES ........................................................................................... 43
3.2.1. ALCANCE ..................................................................................................................... 43
3.2.2. LIMITACIONES ............................................................................................................. 44
4. MODELO EXPERIMENTAL ................................................................................................. 45
4.1. SECCIÓN DE PRUEBAS .................................................................................................. 47
4.1.1. MOTOR-GENERADOR DE CICLO DIESEL ........................................................................ 47
4.1.2. CARGA ELÉCTRICA ....................................................................................................... 49
4.2. SECCIÓN DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLES ............................................................. 51
4.2.1. SISTEMA DE PURIFICACIÓN Y COMPRESIÓN DE BIOGÁS .............................................. 51
4.2.2. KIT DE CONVERSIÓN DIESEL-BIOGÁS ........................................................................... 57
4.3. SECCIÓN DE MEDICIÓN, ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES ..................... 60
4.3.1. MEDICIÓN DE CONSUMO DE DIESEL ............................................................................ 60
4.3.2. MEDICIÓN DE CONSUMO DE BIOGÁS .......................................................................... 60
ÍNDICE
4.3.3. MEDICIÓN DE TEMPERATURA ..................................................................................... 61
4.3.4. SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS.......................................................................... 62
4.3.5. COMPUTADOR PERSONAL ........................................................................................... 63
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .................................................................................... 64
5.1. OPERACIÓN EN MODO DIESEL ..................................................................................... 64
5.2. OPERACIÓN EN MODO DIESEL-BIOGÁS ....................................................................... 65
5.3. PARÁMETROS ESTUDIADOS ........................................................................................ 66
5.4. REDUCCIÓN DE DATOS ................................................................................................ 67
5.4.1. POTENCIA .................................................................................................................... 68
5.4.2. FLUJO MÁSICO DE DIESEL ............................................................................................ 68
5.4.3. TASA DE SUBSTITUCIÓN DIESEL-BIOGÁS...................................................................... 68
5.4.4. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTIBLE ................................................................... 69
5.4.5. RENDIMIENTO TÉRMICO ............................................................................................. 70
5.5. ANÁLISIS DE INCERTEZAS ............................................................................................. 70
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS .................................................................................................. 71
6.1. PURIFICACIÓN DE BIOGÁS ........................................................................................... 71
6.1.1. PRUEBAS EN LABORATORIO ........................................................................................ 71
6.1.2. PRUEBAS EN PLANTA ................................................................................................... 71
6.2. COMPRESIÓN DE BIOGÁS ............................................................................................ 73
6.3. SUBSTITUCIÓN PARCIAL DE DIESEL POR BIOGÁS ......................................................... 76
6.4. DISCUSIÓN ACERCA DE LOS GASES DE ESCAPE ............................................................ 82
6.5. AHORRO EN EL PROCESO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA ............................ 86
7. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 88
8. RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS ............................................................. 90
9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................ 91
10. ANEXOS ........................................................................................................................... 96
10.1. ANÁLISIS DE INCERTEZA .............................................................................................. 96
10.2. POTENCIA EN LA CIUDAD DE AREQUIPA. ..................................................................... 99
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Secuencia de eventos en un motor de ciclo Diesel de cuatro tiempos. 20
Figura 2. Esquema del modelo experimental. ...................................................... 46
Figura 3. Motor generador de ciclo Diesel. ........................................................... 47
Figura 4. Resistencia eléctrica suspendida sobre el tanque con salmuera. ......... 50
Figura 5. Esquema del sistema de purificación y compresión de biogás.............. 51
Figura 6. Esquema de los filtros para la remoción de H2S. ................................... 52
Figura 7. Filtros para la remoción de H2S. ............................................................. 52
Figura 8. Sistema de compresión de biogás. ......................................................... 54
Figura 9. Dispositivo de separación de CO2. ......................................................... 55
Figura 10. Fotografía del dispositivo de separación de CO2. ................................ 55
Figura 11. Dispositivo de remoción de H2O. ......................................................... 56
Figura 12. Fotografía del dispositivo de remoción de H2O. .................................. 57
Figura 13. Kit electrónico de conversión Diesel-Gas. ............................................ 58
Figura 14. Kit electrónico de conversión Diesel-Gas. ............................................ 58
Figura 15. Mezclador aire-biogás. ......................................................................... 59
Figura 16. Inyectores de biogás. ........................................................................... 60
Figura 17. Medidor de flujo de biogás. ................................................................. 61
Figura 18. Motor generador instrumentado con termopares. ............................. 62
Figura 19. Temperatura de ingreso y salida del compresor a 4 bar. ................... 74
Figura 20. Presiones de entrada y salida del compresor a 4 bar. ........................ 74
Figura 21. Flujo volumétrico de biogás a 4 bar. .................................................... 75
Figura 22. Temperatura de ingreso y salida del compresor a 5 bar. .................... 75
Figura 23. Presiones de entrada y salida del compresor a 5 bar. ......................... 76
Figura 24. Flujo volumétrico de biogás a 5 bar. .................................................... 76
Figura 25. Temperatura, potencia y Duty Cycle. ................................................... 78
Figura 26. Flujo másico de diesel y biogás con la tasa de substitución. ............... 79
Figura 27. Consumo de diesel y Duty Cycle vs. Potencia Mecánica. .................... 80
Figura 28. Tasa de substitución, DC y temperatura de los gases vs. Potencia. .... 80
Figura 29. Consumo específico de combustible vs. Duty Cycle. ........................... 81
Figura 30. Rendimiento térmico vs. Duty Cycle. ................................................... 82
Figura 31. Costo de generación de electricidad vs. Tasa de Substitución. ........... 87
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Parámetros termodinámicos del biogás. ................................................ 21
Tabla 2. Composición típica del biogás. ................................................................ 22
Tabla 3. Concentración máxima de H2S según la aplicación. ................................ 22
Tabla 4. Comparación de las tecnologías de remoción de H2S. ............................ 23
Tabla 5. Contenido máximo de CO2 según estándares de diferentes países. ...... 23
Tabla 6. Comparación de las tecnologías de remoción de CO2. ........................... 26
Tabla 7. Características técnicas del motor. ......................................................... 49
Tabla 8. Características técnicas del generador.................................................... 49
Tabla 9. Características técnicas del compresor. .................................................. 53
Tabla 10. Incertezas analizadas. ............................................................................ 70
Tabla 11. Separación de elementos indeseados del biogás. ................................ 71
Tabla 12. Contenido de contaminantes del biogás en la purificación. ................. 72
LISTA DE SÍMBOLOS BDC punto muerto inferior
𝑐𝑒𝑐𝐷 consumo específico de diesel
𝑐𝑒𝑐𝐷/𝐵 consumo específico de diesel y biogás
CH4 metano
CO monóxido de carbono
CO2 dióxido de carbono
DC dutycycle
HC hidrocarburos
λ tasa de exceso de aire
𝑚 𝐵 flujo másico de biogás
𝑚 𝐷 flujo másico de diesel
MP material particulado
N velocidad de rotación
N2 nitrógeno
𝜂𝐺 eficiencia del generador
NOX óxidos de nitrógeno
𝜂𝑇 ,𝐷 rendimiento térmico con diesel
𝜂𝑇 ,𝐷
𝐵
rendimiento térmico con diesel y biogás
O2 oxígeno
𝑃𝐶𝐼𝐵 poder calorífico inferior del biogás
𝑃𝐶𝐼𝐷 poder calorífico inferior del diesel
𝑃𝑒𝑙 potencia eléctrica
𝑃𝑚𝑒𝑐 potencia mecánica
H2 hidrógeno
TDC punto muerto superior
CONVENCIONES MCI Motor de Combustión Interna CI CompressionIgnition (Ignición por Compresión) SI SparkIgnition (Ignición por Chispa)
14
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años, la preocupación mundial por la disponibilidad de
fuentes energéticas ha sido creciente. En este contexto, las energías renovables
han ido tomando especial importancia debido a que su utilización contribuye al
cuidado del medio ambiente y puede realizarse de manera descentralizada.
Una de las tecnologías desarrolladas durante los últimos 50 años es la
digestión anaeróbica de residuos para la producción de biofertilizantes y biogás,
siendo ésta muy bien aceptada en países en vías de desarrollo. Inicialmente, el
objetivo principal de la implementación de los biodigestores era la obtención del
fertilizante y el biocombustible también obtenido en el proceso era liberado a la
atmósfera o quemado, contaminando el medio ambiente, pues el biogás,
constituido por metano (CH4) principalmente, es un gas de efecto invernadero
con un elevado potencial de calentamiento global (GWP) y el dióxido de carbono
(CO2), resultado de la quema del biogás, constituye también un contaminante.
Recientemente, la necesidad de utilizar la energía de este biocombustible
para la obtención de energía útil trajo como consecuencia su utilización en
motores de combustión interna (MCI) y generadores para la producción
sustentable de energía eléctrica. Además, utilizando el biogás para este fin, la
emisión de contaminantes al medio ambiente disminuye, principalmente el
material particulado (MP), debido a la substitución del diesel (combustible fósil)
por el biogás (biocombustible). Esta alternativa constituye una oportunidad para
lograr el desarrollo económico sostenible de poblaciones en zonas rurales
alejadas de la red de distribución eléctrica.
La presente tesis constituye parte de un proyecto desarrollado para
solucionar un problema empresarial de gestión de subproductos, en este caso el
15
biogás, dándole un uso que beneficie económicamente a la empresa y que
contribuya con el cuidado del medio ambiente.
1.1. Motivación
La situación energética mundial es un tema frecuentemente discutido
que preocupa tanto a los países en vías de desarrollo como a los países
industrializados. Conforme los recursos energéticos más usados en el mundo
como el carbón, el petróleo, el gas natural y la energía nuclear se vuelven más
escasos, las fuentes de energía renovable ganan cada vez más importancia en
términos de investigación y desarrollo. Una de las características de la energía
renovable es que la utilización de estas fuentes renovables se puede realizar de
manera individual y descentralizada; es decir, existe la oportunidad de tenerla a
disposición propia.
La tecnología del biogás se ha desarrollado constantemente desde hace
50 años pasando desde unidades pequeñas de generación hasta grandes plantas
industriales con tecnología sofisticada. Sin embargo, el desarrollo de esta
tecnología se ha sesgado un poco más a la producción y al tratamiento de
residuos anaeróbicos. La utilización del gas recién empezó a tomar más
importancia cuando se vio la necesidad de darle un uso útil con sistemas más
sofisticados, siendo la opción más sensata la de transformar la energía del biogás
en energía mecánica termodinámicamente valiosa.
En los países en vías de desarrollo, se utiliza la tecnología de biodigestión
con el objetivo de producir biofertilizantes para mejorar la producción de
alimentos en las tierras agrícolas; pero, el gas producido en el mismo proceso
anaeróbico es expulsado a la atmósfera o quemado, emitiendo en cualquier
forma gases de efecto invernadero al medio ambiente y desaprovechando la
capacidad energética de este biocombustible.
16
Precisamente en los lugares en los que se cultivan productos agrícolas,
existe disponibilidad de sustrato animal o vegetal para los biodigestores y
usualmente estos lugares están alejados de las ciudades, y algunas veces, de la
red de distribución eléctrica. Por estas razones, es bastante factible la
producción modular de energía eléctrica con MCI que utilicen el biocombustible
producido en estos mismos lugares, comúnmente aislados, logrando un
aprovechamiento integral de los residuos agroindustriales, contaminando menos
y utilizando la energía del biogás para un propósito útil.
1.2. Objetivos de la Tesis
1.2.1. General
Estudiar experimentalmente el desempeño de un motor-generador de
ciclo Diesel sustituyendo parcialmente la carga de diesel por biogás,
disminuyendo la emisión de gases contaminantes, evaluando el ahorro
económico en el proceso de generación de electricidad.
1.2.2. Específicos
Modificar el sistema de alimentación de un motor generador de
ciclo Diesel mediante un KIT de conversión para permitir la
utilización de biogás.
Purificar biogás proveniente de residuos de la industria
agropecuaria hasta el límite permisible para su utilización en un
motor de combustión interna.
Comprimirel biogás para obtener una presión constante para
alcanzar un mejor desempeño en la inyección del combustible.
Evaluar el KIT de conversión diesel-biogás en el motor generador.
17
Realizar pruebas experimentales utilizando diesel y biogás como
combustibles variando la tasa de substitución.
Determinar el desempeño del motor generador en modo diesel-
biogás, comparándolo con su desempeño en modo diesel,
analizando parámetros como la potencia mecánica, el consumo
específico de diesel y de biogás y la eficiencia térmica, todos en
función de la tasa de substitución de diesel por biogás.
Discutir al respecto de las emisiones contaminantes del motor de
ciclo Diesel operando con biogás en diferentes tasas de
substitución.
18
2. MARCO TEÓRICO
Este capítulo contiene una revisión bibliográfica básica acerca de los
motores de combustión interna de ciclo Diesel y los generadores de energía
eléctrica. Envuelve una revisión de las propiedades del biogás que facultan su
uso como combustible en motores de ciclo Diesel. Se describen las emisiones
contaminantes producto de la operación de un motor de ciclo Diesel y sus
efectos en la salud humana y en el medio ambiente. Se examinan también las
ventajas y desafíos que presenta esta tecnología.
2.1. Motores generadores de ciclo Diesel
En 1982, el ingeniero franco-alemán Rudolf Christian Karl Diesel obtuvo la
patente de un nuevo tipo de motor de combustión interna. Su concepto consistía
en iniciar la combustión inyectando un combustible líquido en aire calentado
sólo por compresión obteniendo una eficiencia de casi el doble de la de otros
motores de combustión interna.
Este motor de ignición por compresión opera en base al ciclo
termodinámico Diesel. Las condiciones de funcionamiento del ciclo son las
siguientes:
Admisión. En este recorrido del pistón, se suministra aire al cilindro
casi a presión atmosférica. En el caso de los motores turbo-cargados,
el aire es presurizado por un dispositivo activado por los gases de
escape colocado antes del colector de admisión, llamado
turbocompresor. El flujo de aire que ingresa al cilindro del motor de
ciclo Diesel no es restringido.
19
Compresión. En esta etapa, el aire admitido se comprime a una
presión aproximada de 4 MPa y una temperatura de 800 °C en
promedio. El ratio de compresión de los motores de ciclo Diesel se
encuentra en el intervalo de 12:1 a 24:1, dependiendo del tipo de
motor y la aspiración. Aproximadamente 20° antes del PMS, se inicia
la inyección de combustible al cilindro. Debido al mayor ratio de
compresión usado por el motor, el calor del aire comprimido al
finalizar el recorrido de compresión es suficientemente alto para
causar que las pequeñas gotas de diesel atomizado se vuelvan vapor.
Combustión. Después de un pequeño retraso, ocurre la ignición
estableciendo un frente de llama. El remanente del diesel inyectado
se quema inmediatamente. En el momento en que el pistón alcanza el
final del recorrido de compresión, el combustible que aún se quema
causa un mayor aumento de la presión sobre el pistón.
Expansión. Mientras más combustible se inyecta y se quema, los
gases internos se calientan más y la presión aumenta más, empujando
el pistón y la biela hacia abajo para hacer girar el cigüeñal.
Escape. Una vez que las válvulas de escape están abiertas, los gases
presurizados fuerzan su camino fuera del cilindro y empieza el
recorrido de escape. Cuando el pistón inicia su recorrido hacia arriba
nuevamente, empuja los gases que quedan en el cilindro hacia afuera.
Con una condición positiva de traslape de válvulas, las válvulas de
admisión en el cilindro se abren antes de que el pistón llegue al TDC y
el ciclo continúa.
La secuencia de eventos en el motor de ciclo Diesel de cuatro tiempos se
muestra en laFigura 1.
20
Figura 1. Secuencia de eventos en un motor de ciclo Diesel de cuatro tiempos.
El motor de ciclo Diesel es un motor recíproco: la energía química,
producto de la combustión del diesel, se libera en forma de calor, que es
transferido desde el pistón, a través una biela acoplada al pistón por un lado y al
cigüeñal del motor por el otro, para crear movimiento mecánico rotacional y así,
potencia mecánica.
El motor generador de ciclo Diesel está conformado por un generador de
energía eléctrica acoplado a un motor de ciclo Diesel. El motor cumple la función
de una máquina primaria, brindando la potencia necesaria para la generación de
energía eléctrica.
2.2. Propiedades del biogás como combustible
El biogás es un combustible gaseoso con contenido energético mediano
que se produce a partir de bacterias en un proceso de biodegradación de materia
orgánica bajo condiciones anaeróbicas. Contiene una proporción variable de CH4
y CO2, con algunas trazas de H2S, N, CO, O2, entre otros. Su contenido de CH4 y
21
CO2 se encuentra en función del material digerido y las condiciones del proceso
de biodigestión como la temperatura (Mitzlaff, 1988).
De todos los componentes del biogás, el que tiene mayor importancia es
el CH4, debido a su poder calorífico. Los otros componentes del biogás son
usualmente removidos del mismo pues no participan en la combustión, en lugar
de esto, absorben calor de la misma y salen del proceso a una temperatura
mayor de la que entraron.
Los parámetros termodinámicos del biogás en condiciones normales (T =
273,15 K y P = 0,1013 MPa) se detallan en laTabla 1.
Tabla 1. Parámetros termodinámicos del biogás.
El poder calorífico del biogás depende estrictamente de la cantidad de
CH4que contenga.
2.3. Estándares de Concentración de Contaminantes en el Biogás
La composición típica del biogás crudo proveniente de la digestión
anaeróbica se muestra en laTabla 2.
Característica Descripción
CH4, % vol. 30 – 73
CO2, % vol. 20 – 40
Punto de ebullición, °C ( – ) 126 – 162
Densidad, kg/m3 0,65 – 0,91
Número de octano 130
Temperatura de autoignición, °C 632 – 813
Ratio A/F, vol. 17,2
Poder calorífico inferior, MJ/kg 26,17
Fuente: Yoon y Lee (2011)
22
Tabla 2. Composición típica del biogás.
Los contaminantes presentes en el biogás suelen ser corrosivos, tóxicos o
pueden actuar como inhibidores del proceso de combustión. Existen diversas
tecnologías para la purificación del biogás. Estas usualmente envuelven más de
una etapa, de acuerdo a los contaminantes que se desean remover, proceso que
puede incrementar el poder calorífico del biogás significativamente.
2.3.1. Sulfuro de hidrógeno (H2S)
Este compuesto, presente en el biogás, es un derivado del material
orgánico que contiene azufre y su concentración varía de acuerdo al sustrato
digerido (Muche y Zimmerman, 1985).
La Tabla 3muestra la concentración máxima de H2S para diferentes
aplicaciones del biogás.
Tabla 3. Concentración máxima de H2S según la aplicación.
Las tecnologías más conocidas para la remoción de H2S del biogás se
presentan en la Tabla 4.
1 Estándar en Suecia.
Compuesto Símbolo Contenido Metano CH4 50 – 80 %
Dióxido de carbono CO2 20 – 50 %
Amoníaco NH3 0 – 300 ppm
Ácido sulfhídrico H2S 50 – 5000 ppm
Nitrógeno N2 1 – 4 %
Oxígeno O2 < 1 %
Vapor de agua H2O 2 – 5 % Saturado
Fuente: Electrigaz Technologies Inc. (2008)
Aplicación Concentración Calderos 1000 ppm
Motores de combustión interna 1000 ppm
Combustible vehicular 23 ppm1
Inyección a la red 4 ppm
Fuente: IEABioenergy (2000).
23
Tabla 4. Comparación de las tecnologías de remoción de H2S.
2.3.2. Dióxido de carbono (CO2)
Para incrementar el contenido energético del biogás, se requiere la
remoción de componentes inertes como el CO2 y el nitrógeno (N2). La máxima
concentración de CO2 en el biogás aceptable para la inyección en la red se
muestra en la Tabla 5para diferentes países.
Tabla 5. Contenido máximo de CO2 según estándares de diferentes países.
Las tecnologías más utilizadas en el mundo para la remoción de CO2
incluyen el lavado con agua, la absorción química y física, la absorción por
cambio de presión y las membranas (Hagen y Polman, 2001). Los métodos
expuestos por los autores se describen brevemente a continuación.
La tecnología de lavado con agua envuelve la disolución del CO2 en agua y
se conoce usualmente como scrubbing. El biogás ingresa por la parte inferior del
tanque para lavado y debido a que el CO2 es más soluble en el agua que el CH4, el
Tecnología Eficiencia Inversión Inicial
Costo Operacional
Complejidad
Remoción biológica Media Media Bajo Media
Cloruro de hierro Media Baja Medio Baja
Lavado con agua Alta Alta Medio Alta
Carbón activado Alta Alta Medio Media
Óxido de hierro Alta Media Medio Media
Hidróxido de sodio Alta Media Alto Media
Fuente: Electrigaz Technologies Inc. (2008).
País Concentración Máxima Suiza 6 %
Francia 2 %
Alemania 6 %
Canadá 2 %
Suecia 5 % (CO2 + O2 + N2)
Estados Unidos 2 %
Fuente: Electrigaz Technologies Inc. (2008).
24
contraflujo de agua disuelve el CO2 y el biogás sale por la parte superior con un
menor contenido del contaminante.
Para la absorción química y física del CO2 del biogás, algunas empresas
suelen utilizar solventes químicos, incluyendo el polietileno glicol, Selexol®,
Genosorb®, entre otros. El H2S también es soluble en el Selexol®, por lo que este
contaminante o trazas de este también se remueven durante el proceso.
La absorción por cambio de presión es un proceso físico de separación de
CO2 mediante el cual un medio absorbente retiene las moléculas de CO2 en altas
presiones y luego las libera a bajas presiones. El biogás es conducido por zeolitas
(polímeros cristalinos), tamices moleculares de carbono o carbón activado y
según el absorbente y la presión, se remueven el CO2, O2 y N2.
Actualmente, se utilizan también membranas permeables para retener el
CH4 utilizando diferenciales de presión en los que el CO2 altamente soluble pasa
a través de la membrana al otro lado. El proceso de membrana sólida tiene un
flujo de gas en cada lado de la membrana y opera en altas presiones y el proceso
de membrana líquida tiene un líquido absorbente fluyendo en el lado absorbente
de la membrana, removiendo el CO2. Estos procesos se realizan usualmente
entre 16 y 40 atmósferas.
Otro proceso, no utilizado en la industria aún, es la destilación criogénica, que
consiste reducir la temperatura del biogás para condensar el CO2, volviéndolo
líquido, aprovechando el punto de congelamiento de ambos gases, que es -161,6
°C para el combustible y -78,5 °C para el contaminante.La
25
Tabla 6, mostrada a continuación, presenta una comparación entre las
tecnologías de separación de CO2.
26
Tabla 6. Comparación de las tecnologías de remoción de CO2.
Bari (1996) evaluó el desempeño de un motor utilizando diferentes
combinaciones de CH4 y CO2 para simulando biogás. Encontró que la presencia
de un porcentaje de carbono de hasta 40% no deteriora el desempeño del
motor, comparándolo con la utilización de gas natural con 96% de CH4. Notó
también que la presencia de porcentajes de hasta 30% de CO2 en el gas mejoró el
desempeño del motor. Sin embargo, el biogás con más de 40% de CO2 necesita
lavado, pues el motor podría funcionar de manera áspera con este gas.
2.3.3. Vapor de agua (H2O)
El biogás proveniente de la digestión anaeróbica usualmente se
encuentra saturado con vapor de agua. La presencia de esta sustancia en el
biogás, podría resultar en la corrosión y la obstrucción de accesorios en el
sistema de distribución.
En aplicaciones de inyección a la red o utilización en vehículos como
combustible, el vapor de agua constituye un problema significativo; sin embargo,
este no lo es para los calderos y motores de combustión interna. En algunos
países, como Suiza, el contenido máximo de humedad permisible en el biogás
para la inyección a la red es de 60 % (Electrigaz Technologies Inc., 2008) y en
otros, como España, el valor límite para la utilización en motores de combustión
interna es 80 % (PROBIOGAS, 2007).
Lavado con Agua
Lavado con Aminas
Cambio de Presión
Membranas
Consumo eléctrico, kWh/m3 0,3 0,67 0,27 -
Recuperación de CH4 98,5% 99% 83-99% 90%
Co-Remoción de H2S Sí Contamina Posible Posible
Co-Remoción de N2 y O2 No No Posible Parcial
Fuente: Electrigaz Technologies Inc. (2008).
27
Existen diferentes tecnologías para reducir el contenido de vapor de agua
en el biogás, que incluyen la refrigeración, la absorción en glicol o sales
higroscópicas y la adsorción en agentes higroscópicos.
2.3.4. Otroscontaminantes
El biogás contiene, además de los contaminantes tratados, trazas de otros
compuestos que pueden perjudicar los equipos en los que se utilice o disminuir
su poder calorífico (Electrigaz Technologies Inc., 2008). Pese a que en este
trabajo no se trata la eliminación de estos compuestos, los métodos utilizados
para los principales contaminantes aplican también para la remoción de algunos
de los otros contaminantes que se encuentran en el biogás en menor proporción.
A continuación se describen las características y efectos de los contaminantes
tratados en el estudio de la empresa referenciada.
Uno de los compuestos contaminantes es el amoníaco (NH3), que resulta
en la formación de óxidos de nitrógeno. Los motores de combustión interna
usualmente aceptan un máximo de 100 mg/nm3 en el biogás. Sólo Suecia tiene
un estándar para el contenido de amoníaco en el biogás para la inyección en la
red, que es 20 mg/nm3. El amoníaco es soluble en agua, por lo que las
tecnologías de lavado de biogás lo remueven del biogás.
Los siloxanos son compuestos organosilícicos que se depositan en los
pistones y en la parte superior de los cilindros actuando como agentes abrasivos
y reduciendo drásticamente la vida del motor. Estos compuestosprovienen de la
digestión anaeróbica en plantas de tratamiento de aguas residuales y en rellenos
sanitarios, por lo que no constituyen un problema en el gas proveniente de
residuos agrícolas. Los métodos para la remoción de este compuesto incluyen el
enfriamiento del gas, la absorción en hidrocarburos y la adsorción en carbón
activado.
Otros compuestos también presentes en el biogás proveniente de
rellenos sanitarios son los hidrocarburos halogenados, que son corrosivos y
28
resultan en la formación de dioxinas y furanos. La remoción de estos compuestos
se realiza también mediante carbón activado.
El biogás puede contener también oxígeno y nitrógeno; sin embargo,
estos se encuentran en bajas concentraciones y se presentan principalmente en
biogás proveniente de rellenos sanitarios y/o que ha sido tratado con oxígeno
para la remoción de H2S dentro del biodigestor. El oxígeno puede ser
parcialmente removido mediante absorción por cambio de presión a presiones
bajas y el nitrógeno, por separación criogénica y por cambio de presión también;
sin embargo, estos métodos son bastante caros.
2.4. Substitución Parcial de Diesel por Combustibles Gaseosos
Las primeras aplicaciones comerciales de la substitución parcial de
combustibles fósiles convencionales por combustibles alternativos como el gas
natural y el biogás en Motores de Combustión Interna (MCI) datan de 1935. En la
Segunda Guerra Mundial, por ejemplo, ya eran utilizadas mezclas de gas de
carbón, biogás, CH4 y gasolina de baja calidad en forma de vapor gasificado.
Debido a cuestiones económicas y ambientales, esta tecnología continúo siendo
desarrollada y empleada en un amplio intervalo de aplicaciones (Sahoo et al.,
2009). En el sector agropecuario, por ejemplo, existe una preferencia por
motores de ciclo Diesel que operen con una mezcla de biogás con 10 a 20% de
combustible diesel, pues es el porcentaje mínimo necesario para mantener la
ignición, debido a su alta disponibilidad. Este porcentaje varía con el punto de
operación y los parámetros del motor (Henham y Makkar, 1998). Según Fulford
(1984), en la India esas configuraciones ya estaban comercialmente disponibles
en tal época.
En motores de ignición por compresión, el aire es comprimido hasta
llegar a condiciones de temperatura y presión que permiten que un combustible
líquido inyectado se inflame fácilmente y se queme progresivamente tras la
29
ignición. En motores de ignición por chispa, una mezcla de aire y combustible
vaporizado es comprimida debajo de su punto de ignición e inflamada en un
instante determinado por un medio independiente. En los motores bi-
combustible, también llamados ‘diesel-gas’, ambos tipos de combustión
coexisten: una mezcla de aire y combustible gaseoso con elevado número de
octano es comprimida como en un motor de ciclo Diesel convencional. La mezcla
no se autoinflama debido a su elevada temperatura de autoignición. Entonces, se
inicia la ignición por una pequeña cantidad de combustible líquido que se inyecta
y se inflama espontáneamente al final de la fase de combustión.
Para operar un motor de ciclo Diesel con una mezcla de combustible
diesel-biogás son necesarias apenas modificaciones simples en el sistema de
alimentación con flexibilidad para volver a operar con diesel en el caso de una
disminución en el abastecimiento de biogás, eso sin alterar el funcionamiento
(Bari, 1996). En los motores bi-combustible, el sistema convencional de inyección
de diesel continúa suministrando al motor cierta cantidad de combustible
líquido. Sin embargo, el motor ahora comprime una mezcla de aire y combustible
gaseoso preparada en un dispositivo externo. La mezcla es después inflamada
con energía de la combustión del combustible líquido atomizado, llamado
también pilot fuel. El combustible líquido provee la fuente de ignición para la
consecuente propagación de la llama en la mezcla de combustible gaseoso y aire.
La cantidad de pilot fuel requerida para la ignición es de 10 a 20% de requerida
para la operación normal con diesel (Sahoo et al., 2009).
En algunos motores, el combustible gaseoso se mezcla con el aire en el
cilindro del motor, en otros, se mezcla directamente en el colector de admisión.
(Sahoo et al., 2009). El dispositivo de mezcla debe proveer una mezcla
homogénea de aire y combustible gaseoso, variar el flujo de combustible de
acuerdo a la potencia requerida, permitir el suministro suficiente de aire y gas
para la operación en carga y rotación máxima, considerando que la tasa de
exceso de aire, λ no debe ser menor a 1,5, pues se necesita suficiente aire para
30
que el pilot fuel realice la combustión. Este dispositivo debe también permitir el
control automático de la operación mediante mecanismos que funcionen con el
gobernador electrónico o mecánico, según el caso (Miztlaff, 1988).
Durante la operación en carga parcial, el suministro de gas y el de aire se
reducen. Entonces, la presión de compresión y la presión media efectiva del
motor decrecen. Esto causaría una caída en la potencia generada y la eficiencia.
En este contexto, las condiciones de compresión se volverían demasiado débiles
para que la mezcla se auto-inflame. Es por esto, que en los motores bi-
combustible el aire no debe ser restringido. Además, existe la necesidad de
variar la cantidad de pilot fuel usada en relación al suministro de combustible
gaseoso para proveer al motor específico las condiciones para un mejor
desempeño en intervalo de cargas requeridas. Usualmente, el objetivo principal,
por razones económicas y ambientales, es reducir el consumo de diesel y
maximizar su reemplazo por combustibles gaseosos más baratos durante todo el
intervalo de cargas de motor. El motor bi-combustible puede operar
efectivamente con una amplia variedad de combustibles gaseosos manteniendo
su capacidad para operar alimentado sólo con diesel. Normalmente, el cambio
de diesel-gas a diesel y viceversa, puede ser realizado automáticamente, aún
bajo condiciones con carga (Sahoo et al., 2009).
2.5. Emisiones Contaminantes de los Motores de Ciclo Diesel
La contaminación atmosférica es la presencia o lanzamiento a la
atmósfera de uno o más contaminantes (partículas, cenizas, gases o vapores), en
concentraciones, características y tiempo de vida suficiente para causar daños al
ser humano, a la fauna, a la flora y a los materiales.
La contaminación urbana del aire, la lluvia ácida y las modificaciones
climáticas globales, se deben, como uno de los causantes, a la quema de
31
combustibles fósiles, tanto en fuentes móviles (vehículos automotores), como en
fuentes estacionarias (termoeléctricas, industrias, entre otros).
Los principales agentes causantes de contaminación atmosférica que
además están presentes en los gases de combustión de los vehículos
automotores son el material particulado (MP), el dióxido de azufre (SO2), los
óxidos de nitrógeno (NOX), el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos no
quemados (HC) (Dondero, 2002).
2.5.1. Características de las Emisiones Contaminantes
A continuación, se describen algunas características de estos
contaminantes, originados por la combustión del diesel y del biogás.
a. Material Particulado
Los motores de ciclo Diesel son una importante fuente de material
particulado: entre 0,2 % y 0,5 % de la masa del combustible es emitida como
pequeñas partículas que consisten básicamente en hollín con algunos
hidrocarburos.
Estas partículas se encuentran entre los contaminantes que presentan
mayores amenazas al medio ambiente. La mayoría de estas partículas tiene un
diámetro que varía entre 0,1 y 10 μm. Las partículas muy pequeñas se mueven
como moléculas de gas yno se depositan en el suelo, permaneciendo en la
atmósfera durante períodos indefinidos de tiempo, dañando el medio ambiente
y la salud humana.
El material particulado, en vehículos automotores, resulta de la
combustión de las fracciones más complejas de hidrocarburos en condiciones de
insuficiencia de oxígeno y tiempo para una quema adecuada (Dondero, 2002).La
generación de MP en un motor de ciclo Diesel depende de muchos factores,
32
siendo uno de ellos el balance con los NOX, ya que usualmente la reducción de
uno ocasiona el incremento del otro (Braun, 2003).
b. Dióxido de Azufre
La concentración resultante de SO2 en los productos de la combustión es
una función del porcentaje de azufre contenido en el combustible y de la relación
aire/combustible. El diesel contiene menos de 0,5% de azufre. El azufre es
oxidado (o quemado) para producir dióxido de azufre, SO2, del cual una fracción
se puede oxidar a trióxido de azufre, SO3, que combinado con agua forma ácido
sulfúrico (Heywood, 1988).
Parte del SO2 lanzado a la atmósfera se oxida a SO3 y este, por la reacción
con vapor de agua, se convierte en H2SO4. Este ácido se deposita en el suelo, en
el agua y en las plantas con la lluvia. Generalmente esa lluvia también posee
ácido nítrico formado a partir de NOXy causa daños serios al medio ambiente.
c. Óxidos de Nitrógeno
NOX es el término general que designa la suma de óxido nítrico (NO) y
dióxido de nitrógeno (NO2). Estos dos componentes de nitrógeno son emitidos
en procesos de combustión. Las emisiones de NOX se forman principalmente por
las altas temperaturas de los gases quemados en la cámara de combustión a
través de reacciones químicas que envuelven al nitrógeno y al oxígeno, que no
alcanzan el equilibrio químico (Heywood, 1988). Normalmente, las cantidades de
nitrógeno de NO formadas son mucho mayores que las de NO2. Una vez lanzado
en la atmósfera, el NO rápidamente se transforma en NO2 (Andrade y
Teixeira,2003).
33
d. Monóxido de Carbono
El monóxido de carbono resulta de un proceso de combustión
incompleta.En mezclas ricas de combustible y aire, hay oxígeno insuficiente para
quemar completamente todo el carbono en el combustible y volverlo CO2; es
decir, se forma principalmente por la relación oxígeno/combustible presente en
la cámara de combustión y por la eficiencia de la quema de la mezcla
aire/combustible (Dondero, 2002).Según Heywood (1988), los motores de ciclo
Diesel no son una fuente significativa de monóxido de carbono.
e. Hidrocarburos
Los hidrocarburos son también conocidos como combustibles no
quemados o como fracciones de compuestos orgánicos.Son fracciones de
combustible que no fueron oxidadas y que son descargadas en la atmósfera sin
sufrir oxidación completa (Lefevbre, 1983 yDondero, 2002).Algunos
hidrocarburos presentes en los gases pueden también condensarse formando un
humo blanco durante el encendido del motor. La concentración aproximada de
HC en las emisiones de un motor de ciclo Diesel está en torno a las 600 ppm o 25
g/kg de combustible (Heywood, 1988).
f. Dióxido de Carbono
El dióxido de carbono,CO2, pese a que no es considerado un
contaminante clásico, debido a su baja toxicidad, debe ser tomado en cuenta,
considerando su participación en la intensificación del Efecto Invernadero o
calentamiento global.
2.5.2. Efectos de los Contaminantes en la Salud Humana
Los contaminantes tratados en el apartado anterior constituyen una
grave amenaza al medio ambiente, pero principalmente a la salud humana,
afectándola de diferentes formas.
34
La exposición a MP causa irritación, altera la defensa inmunológica,
reduce la función pulmonar y causa esfuerzos cardíacos, intoxicando
sistemáticamente el cuerpo humano.
El SO2 ocasiona irritación respiratoria y falta de aire. Este contaminante
perjudica la función pulmonar, incrementa la susceptibilidad a infecciones,
enfermedades del aparato respiratorio inferior yenfermedades crónicas del
pulmón. Uno de sus impactos en el medio ambiente es la formación de lluvia
ácida.
Los NOX causan irritación de los ojos y de la nariz, enfermedades
respiratorias, disminuyen la función pulmonary ocasionan esfuerzo cardíaco. El
efecto más grave que los NOX pueden tener en la salud es causado por su mezcla
con la humedad de los pulmones y la consecuente formación de ácido nítrico,
que a largo plazo puede tener efectos graves.
Los efectos del CO en la salud humana pueden ser inmediatos, por la
naturaleza de este contaminante. El CO interfiere en el transporte de oxígeno de
la sangre, produciendo daños al corazón y al cerebro, perjudica la percepción
ycausa asfixia. En dosis menores, este contaminante causa debilidad, fatiga,
dolores de cabeza y náuseas.
Los HC causan dolores de cabeza, vértigo e irritación de los ojos. Algunos
hidrocarburos, como los benzopirenos, son considerados aún como poderosos
agentes cancerígenos. Otros tipos de hidrocarburos reaccionan en la atmósfera
promoviendo la formación de smog fotoquímico (Dondero, 2002).
Pese a que los vehículos automotores son considerados la principal
fuente de emisión de contaminantes para la atmósfera, las instalaciones
estacionarias de generación eléctrica utilizan motores de ciclo Diesel, que son los
que producen la mayor cantidad de contaminantes.
35
Una de las alternativas para la reducción de los contaminantes emitidos
por el motor de ciclo Diesel, es la utilización de gas natural o biogás, debido a sus
características químicas. Con esta substitución se consigue la reducción de
losSOX, ya que el gas natural contiene menos compuestos de azufre disueltos
(Andoet al., 2003). Por otro lado, las concentraciones de CO y HC en las
emisiones de los motores diesel-gas son mayores que las encontradas en la
operación convencional en modo diesel, con la emisión deHCcomo la más crítica;
sin embargo, la toxicidad de los hidrocarburos provienen de las cadenas mayores
presentes en el diesel (Patrakhaltsev, 1994), por lo que se volvería necesaria una
discriminación de las emisiones de HCque corresponden a la combustión del
metano y las del diesel, que favorecería a la operación en modo diesel-
gas.Pereira et al. (2009) indican que la concentración de material particulado en
los gases de escape disminuye significativamente con la tasa de substitución de
diesel por gas. En cuanto al NOX, indican que debido a que se forma durante
picos de temperatura dentro de la cámara de combustión, su concentración,
tanto en el funcionamiento original diesel como con dos combustibles, aumenta
con la carga impuesta en el grupo generador; sin embargo, su concentración
disminuye sensiblemente, independientemente de la carga, al pasar para la
operación diesel-gas.
2.6. Ventajas y Desafíos de la Substitución Parcial de Diesel por Biogás
Actualmente, la tecnología de substitución parcial de diesel por biogás
presenta las siguientes ventajas y desafíos:
2.6.1. Ventajas
El motor de ciclo Diesel operando en modo diesel-biogás, emite una
menor cantidad de MP, debido a la menor utilización de combustible
36
fósil, disminuyendo la contaminación causada por esta sustancia que
daña el medio ambiente y la salud humana.
El motor bi-combustible no requiere un suministro ininterrumpido de
biogás. La razón de esta flexibilidad es que esta tecnología no afecta a
la ingeniería del MCI, solamente son acoplados dispositivos de control
(electrónicos e hidráulicos) externos.
Esta tecnología es muy bien aprovechada en el sector agrícola, debido
a la elevada disponibilidad de biogás proveniente de residuos
orgánicos. Este contexto reduce en todos los casos el costo de
generación de energía eléctrica.
El incremento de temperatura causado por la operación del motor en
modo diesel-biogás puede ser aprovechado recuperando el calor del
sistema de enfriamiento del motor y/o el calor de los gases de escape,
obteniendo otro tipo de energía útil (cogeneración).
2.6.2. Desafíos
Existe dependencia de dos combustibles: siempre se debe utilizar una
cantidad de diesel para la ignición de la mezcla.
La alimentación de dos tipos de combustible (uno líquido y otro
gaseoso) requiere un mejor control y de esto depende el mejor
desempeño del motor (Silva, 1995).
Existe una probable reducción de la vida útil de algunos componentes
del motor por causa del sobrecalentamiento en elevadas tasas de
substitución de diesel por biogás, reduciendo el tiempo entre
mantenimientos. Según Mitzlaff (1998), estas temperaturas pueden
variar entre 500 y 700°C para un motor bi-combustible, a
comparación de los 400 a 600°C que alcanza un motor utilizando sólo
diesel.
37
3. LEVANTAMIENTO DEL ESTADO DEL ARTE
La substitución parcial de diesel por combustibles gaseosos provenientes
de fuentes energéticas renovables se realiza desde hace muchos años para
reducir las emisiones contaminantes y los costos de operación (Fulford, 1984). La
alta temperatura de auto-ignición del biogás permite la utilización de motores de
ciclo Diesel convencionales (Papagiannakis y Hountalas, 2002; Korakianitis et al.,
2011). El funcionamiento de estos motores en modo bi-combustible ha sido el
tema de muchas investigaciones realizadas por diversos autores, quienes buscan
principalmente evaluar el desempeño de estos motores y mejorar su operación
en cargas parciales (Darío et al., 2009), objetivo para el cual, Karim (1980)
presentó diversas estrategias, como el uso de bajas tasas de substitución, la
modificación de la inyección del combustible piloto (pilot fuel), el
precalentamiento de la mezcla aire-combustible primario, el ingreso de menor
cantidad de aire a la mezcla, la modificación de la temperatura de la carga con
recirculación de gases de escape, la inyección directa del gas en la cámara de
combustión y el uso de combustibles gaseosos con altas tasas de inflamabilidad.
Según Papagiannakis y Hountalas (2002), los resultados más prometedores de
esta tecnología se obtienen en mayores cargas y altas tasas de substitución por
gas.
Entre los trabajos más importantes desarrollados a partir de las
estrategias de Karim, se encuentra el de Darío et al. (2009), quienes estudiaron el
desempeño de un motor de ignición por compresión (CI) en modo bi-
combustible en una rotación fija y cuatro cargas, variando el sistema de mezcla y
la calidad del combustible piloto (pilot fuel), asociado con la composición del
combustible y el número de cetano. Operaron el motor a 1500 m sobre el nivel
del mar, utilizando biogás simulado (60% CH4 – 40% CO2) como combustible
38
primario, y diesel y biodiesel de aceite de palma como combustibles piloto
(pilotfuels). Demostraron que la combinación de un supercargador y un
mezclador Kenics en el sistema de ingreso del combustible al motor se puede
utilizar como una estrategia para incrementar la eficiencia térmica y el nivel de
substitución del combustible piloto (pilot fuel), además de reducir las emisiones
de CH4 y CO en carga parcial, modificando la presión y temperatura de ingreso;
sin embargo, este cambio incrementaría la emisión de óxidos de nitrógeno (NOX),
por lo que tendría que limitarse el ingreso de aire (Papagiannakis et al., 2009).
Para todas las cargas evaluadas, fue posible alcanzar la substitución total de
diesel usando biogás y biodiesel (pilot fuel) como fuentes de energía.
La presencia de gases inertes como el CO2 y el nitrógeno (N2) en el
combustible primario incrementa los efectos negativos en la operación con carga
parcial debido a que inhiben la tasa de inflamabilidad. Bari (1999) demostró que
cuando un motor de ciclo Diesel opera con biogás, la combustión es pobre
comparada con el diesel y una de las razones para la combustión pobre es la
presencia de CO2 en el biogás; sin embargo, afirma que la presencia de CO2 de
40% en el biogás no deteriora el desempeño del motor comparado con el
desempeño que se obtiene operando con gas natural (96% CH4) en modo bi-
combustible. La presencia de CO2 menor a 30% mejoró el desempeño del motor
comparado al mismo operando con gas natural. Según el autor, para
proporciones de CO2 mayores a 40%, se necesita scrubbing, sin embargo, es
costoso y consume mucha energía. Encontró también, que el contenido de CO2
mayor a 45% origina un funcionamiento “áspero” del motor. Mediante el estudio
del efecto de las variaciones de CO2 en el biogás en el desempeño del motor,
probó que el biogás de diferentes fuentes se puede utilizar como sustituto del
diesel. Según Henham y Makkar (1998), para sustituciones de diesel superiores al
60%, el motor empieza a emitir ruido, y la temperatura de los gases de escape y
la emisión de CO son más afectadas por la substitución de diesel que por la
calidad del biogás. Sin embargo, otros estudios han concluido que menores
rendimientos están asociados tanto con mayores concentraciones de CO2 como
39
con mayores sustituciones de diesel. Por otro lado, Moustafa et al. (1991)
evaluaron el comportamiento de un MCI de 5 HP alimentado con diesel y con
una mezcla diesel-biogás (CH4 = 68% y CO2 = 30%; Poder Calorífico Inferior, PCI =
22540 kJ/m3). La eficiencia térmica a 75% de carga pasa de 18% (sólo diesel) a
16% cuando es alimentado con mezcla, debido al bajo PCI del biogás y de la
menor velocidad del frente de llama. Adicionalmente, determinaron que la
operación de MCI con 45% de substitución de diesel, según la capacidad de
generación de biogás del biodigestor, sería de 1 hora para una potencia eléctrica
de 1650 watts (mejor eficiencia).
Duc y Wattanavichien (2007) realizaron una investigación experimental
de un pequeño motor CI bi-combustible con carga premezclada de biogás y
diesel utilizado para evaluar el desempeño del motor, el consumo de energía, el
uso a largo plazo y maximizar la substitución de diesel, para aplicaciones en
agricultura. Mostraron que la alimentación biogás–diesel del motor no causó casi
ningún deterioro en el desempeño del motor en todas las rotaciones evaluadas,
pero sí menor eficiencia en la conversión de energía que fue compensado con la
alta substitución con biogás que tiene un costo relativamente bajo y además es
una fuente de energía renovable. Demostraron que mientras mayor era la carga,
menor fue el deterioro de la eficiencia, tanto que en carga máxima, la eficiencia
fue comparable a la del motor en modo diesel. La utilización de dos combustibles
resultó en menores temperaturas en los gases de escape, sin considerar la carga
y la rotación, y mayores temperaturas en el agua de refrigeración y el aceite
lubricante en altas cargas y altas rotaciones. Los autores consideran que estos
cambios se presentan debido al menor período de combustión causado en el
modo bi-combustible; es por eso que, el motor no pudo soportar el incremento
de la temperatura causado por la quema más acelerada de los combustibles para
las rotaciones y cargas propuestas para el diesel. Demostraron que el consumo
de aceite fue alto, debido al incremento de las temperaturas. Además, se
produjo mayor cantidad de hidrocarburos (HC) sin quemar, pero menos MP
(Papagiannakis y Hountalas, 2002).
40
Debido a la mayor temperatura que indican Duc y Wattanavichien (2007),
el motor sufre un desgaste, que según Tippayawong et al. (2007) no es
suficientemente significativo para causar deterioro en el desempeño del motor.
El autor operó un motor CI de un solo cilindro e inyección directa modificado
para operar en modo bi-combustible, por 2 000 horas, evaluando el desempeño
en términos de potencia de salida, el consumo específico de combustible y la
eficiencia térmica con una carga fija y en un intervalo de rotaciones,
comparándolo con un motor de ciclo Diesel durante las 50 primeras horas de
operación. Los componentes del motor fueron pesados e inspeccionados
visualmente antes y después de las 2 000 horas para determinar su desgaste. Sus
resultados indicaron que el desempeño del diesel y el del bi-combustible son
comparables a corto plazo. Además, observó que el motor bi-combustible operó
exitosamente con una tasa de substitución mayor al 90% en masa. El motor fue
capaz de mantener una salida de electricidad de 1,45 kW durante el período,
mayor que en modo diesel en 7%. La operación en modo bi-combustible mostró
una mayor eficiencia que el motor en modo diesel dentro de un intervalo entre 1
400 y 1 800 RPM.
Según Papagiannakis y Hountalas (2002) el consumo de combustible es
mayor en cargas parciales, lo que revela una utilización pobre del biogás y como
resultado de la demora en la ignición y la pobre propagación de la llama en la
mezcla de aire-gas, se presentan efectos negativos en altos niveles de
substitución y en cargas parciales (Darío et al., 2009). Cheng-qiu (1989) discutió
la necesidad de utilizar biogás comprimido para estudiar el desempeño del
biogás en motores bi-combustible. Usando información derivada de datos
experimentales compilados por el laboratorio, realizó análisis y comparaciones
entre el biogás a alta y baja presión usado en el motor con respecto a la variación
de potencia y la curva característica del motor. Discutió también los efectos
económicos de la utilización del biogás comprimido.
41
Los niveles de emisión de contaminantes emitidos por los motores bi-
combustible, fueron evaluados por Carlucci et al. (2007), quienes estudiaron el
desarrollo de la combustión y su efecto en el desempeño del motor, el cual,
operando en modo bi-combustible, fue evaluado en un amplio intervalo de
condiciones de operación considerando diferentes valores de carga y rotación.
En las pruebas desarrolladas, se operó el motor en dos condiciones diferentes y,
para cada una, la presión de inyección de CH4 y de diesel fue variada, junto con la
cantidad de combustible. Se observó que la tasa de liberación de calor (ROHR) no
es suficiente para explicar el efecto de los parámetros de inyección en las
emisiones. En el caso del NOX, demostraron que mientras mayores eran la
presión y la cantidad de combustible inyectado a la cámara, las temperaturas
estaban más cercanas a una temperatura mayor y este contaminante se
producía. Sucedió casi lo mismo con los niveles de emisión de CO y HC, aunque
este último parece ser menos sensible a los cambios en los parámetros de
inyección.
Este tema también fue estudiado por Yoon y Lee (2011), quienes
evaluaron la presión de combustión y la ROHR bajo varias condiciones para
analizar la combustión y las características de las emisiones en modo diesel,
modo biodiesel y modo bi-combustible (biogás-diesel y biogás-biodiesel) en un
motor de ciclo Diesel. El biogás fue inyectado durante el proceso de admisión por
dos inyectores electrónicamente controlados instalados en el tubo de admisión.
Sus resultados mostraron que en modo bi-combustible, la presión pico alcanzada
y la ROHR para biogás-biodiesel fueron ligeramente menores comparados con
los parámetros en modo biogás-diesel en baja carga (Papagiannakis y Hountalas,
2002). Con una carga de 60%, la combustión de biogás-biodiesel exhibió una
presión pico, una ROHR y una presión efectiva levemente mayores que en el caso
del diesel. El retraso en la ignición de los dos combustibles fue mayor que con
uno solo debido a la reducción de la temperatura de la carga gas – aire y la
capacidad calorífica específica del biogás, como afirmaron Papagiannakis y
Hountalas (2002). La temperatura de los gases de escape fue ligeramente menor
42
para la combustión en modo bi-combustible y la diferencia entre ambos se
incrementó a mayores cargas. Este fenómeno también fue comentado por Silva
(1995), quien afirmó que una mayor potencia puede ser obtenida, pero con la
reducción de la eficiencia térmica e incremento de la temperatura de escape. Se
emitieron menores cantidades de NOX en modo bi-combustible para ambos
combustibles piloto (Papagiannakis y Hountalas, 2002; Papagiannakis et al.,
2009).
Carlucci et al. (2007) y Yoon y Lee (2011) afirman que en modo bi-
combustible, las emisiones de MP son mucho menores que en modo diesel,
debido al bajo contenido de azufre y la menor necesidad estequiométrica de aire
y oxígeno, como también afirmaron Papagianakkis y Hountalas (2002).
Sahoo et al. (2008) afirman que la emisión de HC y CO es mayor para la
operación del motor en cargas parciales (Papagiannakis y Hountalas, 2002).
Encontraron que la eficiencia térmica de los motores bi-combustible mejora con
el incremento de la rotación, con la inyección adelantada o con el incremento de
la cantidad de combustible piloto (pilot fuel). Según los autores, la selección de
los parámetros de operación y diseño del motor juega un papel importante en la
minimización de divergencias de desempeño entre un motor de ciclo Diesel y un
motor bi-combustible.
Algunas investigaciones alternativas incluyen la de Korakianitis et al.
(2011), quienes evaluaron el comportamiento del hidrógeno (H2) y gas natural
como combustibles primarios y diesel y metil-éster de semillas de colza como
combustibles piloto (pilotfuels). Encontraron que con el uso de H2, las emisiones
de NOX se incrementan y con el uso de gas natural ocurre una combustión
incompleta en cargas bajas e intermedias (Sahoo et al., 2008).
43
3.1. Posicionamiento del Trabajo
La tecnología de digestión anaeróbica es muy bien aceptada en países
cuyas actividades principales envuelven la ganadería y agricultura, pues los
desechos provenientes de las mismas pueden ser procesados para la obtención
de biofertilizantes y biocombustibles. Recientemente, algunos países están
implementando también rellenos sanitarios, que además de contribuir a una
gestión adecuada de residuos, permiten la obtención de biogás.
En este contexto, este trabajo busca la generación de tecnología eficiente
que trabaje con este tipo de biocombustible y permita la substitución de
combustibles fósiles. De esta manera, las empresas o instituciones que cuenten
con este tipo de residuos y generen el biocombustible, podrán utilizar la
tecnología para generar una forma de energía útil como la electricidad,
volviéndose autosustentables.
A largo plazo, la comercialización de este tipo de tecnología, permitirá la
utilización de biocombustibles a mayor escala, contribuyendo con el cuidado del
medio ambiente, debido a la substitución de combustibles fósiles para la
generación de energía.La aplicación de esta tecnología a gran escala permitirá
también a los productores de biocombustible y/o electricidad, la integración a un
gasoducto al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional para la venta de biogás y
electricidad, respectivamente.
3.2. Alcance y Limitaciones
Dentro del alcance y las limitaciones del presente trabajo tenemos:
3.2.1. Alcance
Desarrollo y evaluación de un sistema de purificación del biogás para
su utilización en un motor de ciclo Diesel.
44
Desarrollo y evaluación de un sistema de compresión de biogás
parauniformizarla presión para su adecuada inyección en el motor
de ciclo Diesel.
Desarrollo y evaluación de un sistema electrónico-hidráulico (kit de
conversión) para la substitución parcial de diesel por biogás.
Evaluación del desempeño térmico del motor utilizando diesel y
biogás, comparándolo con el desempeño del mismo utilizando sólo
diesel.
3.2.2. Limitaciones
No se ha realizado la medición de gases contaminantes como el NOX,
SOX, CO2, CO, MP, entre otros, para conocer el beneficio/perjuicio en
la utilización de la tecnología, en el medio ambiente y en la salud
humana.
45
4. MODELO EXPERIMENTAL
Se diseñó y construyó un modelo experimental para evaluar el
desempeño de un motor generador de ciclo Diesel utilizando diesel y biogás
como combustibles. Todos los experimentos fueron realizados en las
instalaciones del Instituto de Energía y Medio Ambiente de la Universidad
Católica San Pablo (iEM-UCSP).Para la realización de estas pruebas no se
realizaron cambios en la ingeniería del motor; es decir, no se alteró la inyección
de diesel, ni se modificó la tasa de compresión.
El modelo experimental está conformado por tres módulos: la sección de
pruebas (motor generador y carga eléctrica),la secciónde suministro de
combustibles (sistema de filtrado y compresión de biogás y KIT de conversión) y
la sección de medición, adquisición y procesamiento de datos (sensores, Sistema
de Adquisición de Datos y PC). El esquema del modelo experimental se puede
observar en la Figura 2.
46
Figura 2. Esquema del modelo experimental.
47
4.1. Sección de Pruebas
La sección de pruebas está constituida por el motor-generador de ciclo
Diesely la carga eléctrica.
4.1.1. Motor-Generador de ciclo Diesel
Se utilizó un motor-generador conformado por un motor de ciclo Diesel
de cuatro cilindros acoplado a un generador eléctrico (Figura 3).
Figura 3. Motor generador de ciclo Diesel.
Las características técnicas del motor y del generador se encuentran en las
Tablas
48
Tabla 7 y8, respectivamente.
49
Tabla 7. Características técnicas del motor.
Tabla 8. Características técnicas del generador.
4.1.2. Carga Eléctrica
Para la simulación de la carga eléctrica del generador se utilizó una
resistencia eléctrica conformada por tres barras de cobre de 1” correspondientes
a las tres fases del generador y un tanque con salmuera (agua con sal al 0,5%).
Para el consumo de la energía producida por el generador se sumergieron las
Característica Descripción
Marca Cummins
Modelo 4BT3.9
Ciclo de funcionamiento 4 tiempos
Número de cilindros 4
Tipo Vertical en línea
Cilindrada unitaria 0,975 l
Cilindrada total 3,9 l
Diámetro 102 mm
Curso 120 mm
Tasa de compresión 16,5:1
Sistema de inyección Directa
Potencia neta de salida 36 kW
Rotación del motor 1800 rpm
Regulación de velocidad Electrónica
Aspiración Turbocargado
Sistema de arranque eléctrico 24 V DC
Válvulas por cilindro 2 (admisión y escape)
Característica Descripción Marca Stamford
Modelo PI114J
Tipo Alternador Sincrónico
Tensión eléctrica 220/440 V
Polos 4
Líneas 3
Frecuencia 60 Hz
Factor de potencia 0,8
50
barras de cobre de la resistencia en la salmuera utilizando un elevador de carga
manual, variando la profundidad de sumersión. La resistencia eléctrica y el
tanque con salmuera se observan en la Figura 4.
El generador y la resistencia eléctrica se conectaron mediante cable
eléctrico protegido de 53,5 mm2. Un extremo del cable se conectó al tablero
eléctrico del generador y el otro extremo fue estañado para unirse de manera
uniforme a la resistencia mediante abrazaderas y placas de cobre.
Figura 4. Resistencia eléctrica suspendida sobre el tanque con salmuera.
La potenciaconsumida de acuerdo a la inmersión de la resistencia en la
salmuera, fue visualizada en la pantalla del tablero eléctrico del generador. Este
panel de control indicóel consumoeléctrico total y por cada una de las fases en
tiempo real, permitiendo la supervisión de este parámetro.
51
4.2. Sección de Suministro de Combustibles
4.2.1. Sistema de Purificación y Compresión de Biogás
El sistema de purificación y compresión de biogás estuvo compuesto por
cinco secciones: un dispositivo de remoción de H2S, un compresor de biogás, un
dispositivo de remoción de CO2, un dispositivo de remoción deH2O y un tanque
de almacenamiento de biogás, dispuestos en el mismo orden. El esquema del
sistema se muestra en la Figura 5.
Este sistema se desarrolló con el fin de purificar el biogás y uniformizar la
presión del gas a 0,5 MPa (5 bar),debido a que los inyectores (del kit de
conversión diesel-biogás) requierenque el suministro de biogás sea a 0,3 MPa (3
bar). Se realizó la remoción de los componentes indeseados del biogás con el fin
de obtener un combustible de propiedades adecuadas para el mejor desempeño
del motor.
Figura 5. Esquema del sistema de purificación y compresión de biogás.
a. Dispositivo de remoción de H2S
El dispositivo para la remoción de H2S estuvo compuesto por dos cilindros
de PVC herméticos, a los cuales se adaptaron mallas de acero galvanizado
dispuestas en una estructura metálica. Sobre las mallas se colocó viruta de fierro
fundido oxidada, con el objetivo de remover el H2S del biogás que circuló por
cada cilindro, antes de ingresar al compresor. En laFigura 6 y en la Figura 7, se
muestran un esquema y una fotografía de los filtros para H2S, respectivamente.
52
Figura 6. Esquema de los filtros para la remoción de H2S.
Figura 7. Filtros para la remoción de H2S.
53
b. Sistema de compresión
Una vez que se separó adecuadamente el H2S, el biogás se comprimió
utilizando un compresor semi-hermético marca DORIN modelo H200CS. Las
características del compresor se encuentran en la Tabla 9.
Tabla 9. Características técnicas del compresor.
Se diseñó y construyó un sistema de control eléctrico (protección) y
eléctrico-hidráulico (presóstatode seguridad) para el adecuado funcionamiento
en términos de seguridad humana y preservación de los componentes.
Este sistema también controló la presión en el tanque, activando y
desactivandoel compresor según la presión establecida: cuando la presión era
menor a la requerida (0,3 MPa), el compresor iniciaba la compresión del
combustible y cuando se alcanzaba la presión requerida (0,5 MPa), el compresor
se apagaba.
Para reducir la presión del biogás de 0,5 a 0,3 MPa, que es la presión
requerida para la inyección del combustible en el motor, se utilizó un regulador
de presiónde tipo diafragma.
La Figura 8 se muestra una fotografía del sistema de compresión en la
planta.
Característica Descripción
Desplazamiento, 60 Hz, m3/h 11,86
Número de cilindros 2
Diámetro, mm 42
Curso, mm 40
54
Figura 8. Sistema de compresión de biogás.
c. Dispositivo de remoción de CO2
El dispositivo de remoción de CO2(
Figura 9) estuvo conformado por un tanque de acero inoxidable con un
difusor de biogás en la parte inferior interna. En laFigura 10, se muestra un
55
esquema de la estructura interna del dispositivo. El biogás comprimido ingresará
por el difusor, burbujeando en agua hasta la parte superior del tanque, por
donde saldrá hacia el dispositivo de separación de H2O.
Figura 9. Dispositivo de separación de CO2.
Figura 10. Fotografía del dispositivo de separación de CO2.
56
d. Dispositivo de remoción de H2O
El dispositivo de remoción de H2Oestá compuesto por una unidad de
condensación que alimenta al evaporador, enfriando al biogás. Posteriormente,
el biogás ingresa a unprimer separador de condensado en donde se realiza la
separación de agua. En este componente del dispositivo, el biogás golpea las
paredes de metal propiciando la transferencia de calor entre el metal y el agua,
que se condensa y cae al fondo del recipiente. Luego, el biogás pasa por un
segundo separador de condensado y sale por la parte superior hacia el tanque de
almacenamiento. En las Figura 11 y Figura 12, se presentan un esquema y una
fotografía del dispositivo de remoción de H2O, respectivamente.
Figura 11. Dispositivo de remoción de H2O.
57
Figura 12. Fotografía del dispositivo de remoción de H2O.
e. Tanque para almacenamiento de biogás
Eltanque utilizado para el almacenamiento de biogás tuvo un volumen de
0,18m3y fue diseñado para soportar una presión de 2 MPa.
4.2.2. Kit de Conversión Diesel-Biogás
El kit de conversión Diesel-Biogás acoplado al motor-generador fue
desarrollado en conjunto con elLaboratório de EngenhariaVeicular de la
PontifíciaUniversidade Católica do Rio de Janeiro, PUC-Rio. Este kit fue
configurado para operar con diferentes ciclos de trabajo(dutycycle) en el
inyector.El concepto de dutycyclese refiere a la fracción de tiempo en que los
inyectores de biogás se encuentran abiertos respecto al tiempo que se encuentra
cerrado. Es un valor comprendido entre 0 y 1, y se utiliza para regular la el flujo
másico de biogás inyectado al motor. Se puede observar el diagrama de las
señales que emite y recibe el kit en la Figura 13 y una fotografía del kit en la
Figura 14.
58
Figura 13. Kit electrónico de conversión Diesel-Gas.
Figura 14. Kit electrónico de conversión Diesel-Gas.
El suministro de biogás al motor se realizó antes del colector de admisión
de aire. Para mejorar el proceso se instalóun mezclador aire-biogásconstruido en
59
poliamida (Figura 15) colocado antes del turbocompresor. El diámetro externo
del tubo de poliamida fue de 70 mm y el espesor del mismo fue de 12,7mm. En
los lados opuestos del tubo se acoplaron dispositivos de suministra fabricados en
bronce a 45° del eje para facilitar el ingreso del biogás. A estos dispositivos se
acoplaron mangueras para gas de ¼” conectadas alos inyectores de biogás
(Figura 16). Una manguera para gas de ½” se conectó por un extremo alos
inyectores y por el otro a la salida del tanque de almacenamiento de biogás.
Figura 15. Mezclador aire-biogás.
60
Figura 16. Inyectores de biogás.
4.3. Sección de medición, adquisición y procesamiento de señales
4.3.1. Medición de Consumo de Diesel
Se utilizó un tanque de combustible con capacidad de 20 litros y una
balanza para la medición del flujo másico de combustible diesel. El tanque se
conectó mediante mangueras para diesel de 6,25 mm de diámetro interno al
sistema de alimentación y retorno de diesel.
La balanza utilizada fue de marca Mettler Toledo, con capacidad de 60 kg
y una incerteza de 10 g. Esta balanza contó con un puerto de salida RS-232 que
permitió la adquisición de datos mediante el computador personal.
4.3.2. Medición de Consumo de Biogás
Para la medición de flujo de biogás, se utilizó un transductor de flujo de
tipo turbina de marca Contech de la serie SVT, modelo SVTG ½” (Figura 17). Este
instrumento fue alimentado por una fuente de 19 V. La señal de salidadel equipo
61
está en el intervalo de 4 a 20 mA, que corresponden a flujos entre 0 y 7,2 m3 por
hora. El funcionamiento de este sensor se basa en una turbina acoplada
directamente en el tubo por donde pasa el fluido. Cuando pasa el fluido, se
acciona el rotor de la turbina, adquiriendo una velocidad de rotación
proporcional al flujo volumétrico del mismo. Sensores electromagnéticos
determinan la velocidad de rotación del rotor de la turbina. Este instrumento
puede operar a temperaturas entre -20 y 120 °C. La incerteza de este
instrumento es de ± 1% para flujos del 10 al 100% del flujo máximo.
Figura 17. Medidor de flujo de biogás.
4.3.3. Medición de Temperatura
Para la medición de la temperatura se utilizaron termopares de tipo K
(Chromel-Alumel) en los siguientes puntos del motor:
Temperatura del aceite
Temperatura de los gases de escape
Temperatura del agua en la entrada al radiador
62
Temperatura del agua en la salida del radiador
El principio de funcionamiento de los termopares implica la generación de
una señal en μV, proporcional a la temperatura del fluido donde se encuentre
sumergido. Esta señal es leída por el sistema e adquisición de datosSAD, por el
que se genera una curva de la temperatura en función del tiempo para cada uno
de los sensores. La incerteza de estos sensores se estimó en 0,2 °C, según la
recomendación del fabricante. Los termopares utilizados fueron de marca ECIL
con conectores de marca OMEGA. En algunos puntos del motor, como la salida
de los gases de escape, se utilizaron termopares con vaina de acero y cubierta
metálica, debido a las elevadas temperaturas que se alcanzaban en estos puntos.
En laFigura 18, se observa el motor generador con los termopares
instalados.
Figura 18. Motor generador instrumentado con termopares.
4.3.4. Sistema de Adquisición de Datos
Las señales emitidas por todos los instrumentos de medición fueron
adquiridas por el SAD, que las envía al computador para su procesamiento y
63
análisis.El SAD utilizado fue de marca HP Agilent, modelo 34970A que permitió la
adquisición de señales de voltaje y corriente. El SAD se comunica con la PC
mediante un puerto RS-232, enviándole los datos que adquirió de los
instrumentos de medición instalados en la sección de pruebas.
4.3.5. Computador Personal
El computador personal permitió el almacenamiento y posterior
procesamiento de los datos adquiridos por el SAD.
El software utilizado para la adquisición de datos fue el HP BenchLink
Data Logger, que posee una interfaz de tipo Windows de fácil configuración y
administración.
64
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
La metodología para el desarrollo de las pruebas incluye la realización de
ensayos en modo diesel y en modo diesel-biogás para evaluar el desempeño del
motor.
El procedimiento experimental está dividido en dos etapas: la operación
en modo diesel y la operación en modo diesel-biogás. Para el último, fue
instalado el kit de conversión Diesel-Gas descrito en la sección del Modelo
Experimental.
Las pruebas se realizaron en una rotación de 1800 RPM, pues el motor
generador utilizado fue diseñado para trabajar en esa velocidad. Para la
elaboración del mapa del motor, se realizaron pruebas para 25 kW.
5.1. Operación en Modo Diesel
Se realizaron pruebas en modo diesel con el objetivo de determinar las
curvas características del motor en términos de desempeño, que se tomaron
como base para la comparación entre la operación en modo diesel y en modo
diesel-biogás.
Se iniciaron las pruebas encendiendo todos los instrumentos de medición
y el Sistema de Adquisición de Datos. Luego, se revisó el sistema de enfriamiento
y de lubricación del motor. Se encendió también el tablero de mando. Debido a
que se utilizó un tanque adicional conectado al sistema de ingreso y retorno de
diesel, se realizó la purga del sistema de inyección del motor. Posteriormente, se
inició la adquisición de los datos mediante el software HP BenchLinkAgilent.
65
Se iniciaron las pruebas en modo stand by; es decir, con el generador
desconectado del motor. Se mantuvo este estado en el motor durante 10
minutos.
Para iniciar las pruebas con carga eléctrica, se comprobó que la
resistencia eléctrica no estuviera sumergida en la salmuera y que todo el sistema
para la simulación de la carga eléctrica estuviera aislado. Luego de la revisión de
seguridad, se conectó el generador al motor mediante el tablero de control del
grupo electrógeno y se inició el descenso de la resistencia eléctrica hasta llegar al
porcentaje de carga requerido para la prueba (25 kW). Una vez terminada la
prueba, se inició la elevación de la resistencia eléctrica y se desconectó el
generador del motor. Se mantuvo el motor en stand by por 10 minutos más y se
apagó.
Durante la realización de las pruebas, se revisó que el Sistema de
Adquisición de Datos y los instrumentos de medición estén funcionando
correctamente.
5.2. Operación en Modo Diesel-Biogás
En este modo de operación, se evaluaron dos tasas de substitución de
diesel por biogás con una potencia eléctrica constante de 25 kW. Para esto se
empleó el kit electrónico de conversión descrito en la sección del Modelo
Experimental.
Se evaluaron dos DC, correspondientes a las dos diferentes tasas de
substitución:0,3 y 0,5.
El biogás utilizado en las pruebas fue previamente purificado, presurizado
a 0,5 MPa y almacenado en el tanque del compresor.
66
El procedimiento para la realización de pruebas en modo diesel-biogás
consistió en inyectar el biogás de forma gradual y controlada, hasta notar una
operación anormal en el motor. Las pruebas se iniciaron en modo diesel
incrementando la carga eléctrica hasta llegar a 25 kW. Se mantuvo el motor en
este estado hasta verificar que parámetros como la temperatura del agua y la
temperatura de los gases de escape se encuentren estabilizados. Luego, se inició
la inyección de biogás mediante el sistema electrónico de control, que varió el
DC de 0,3 a 0,5 durante la prueba.
Los inyectores de diesel que utiliza el motor cumplieron una función
reguladora en la alimentación de diesel y biogás. La inyección de diesel fue
controlada por el gobernador electrónico del grupo electrógeno, que actúa sobre
el inyector. Cuando el motor trabaja con diesel y biogás, y se inyecta el último en
el sistema de admisión de aire, la tendencia del motor es aumentar la potencia
mecánica, debido a que el biogás brinda energía adicional para la combustión. El
gobernador electrónico percibe la variación y hace que los inyectores
administren una menor cantidad de diesel para mantener la potencia generada.
El incremento de la cantidad de biogás administrado se realizó dando
tiempo suficiente al gobernador para que reduzca la cantidad de diesel en la
inyección.
Para la realización de pruebas en este modo de operación se realizaron
las mismas actividades preparatorias que para las pruebas en modo diesel; es
decir, el encendido de los instrumentos de medición, el inicio de la adquisición
de datos y la verificación del nivel de aceite y de refrigerante del motor. Se
tuvieron también las mismas precauciones de seguridad.
5.3. Parámetros Estudiados
Se registraron los siguientes datos durante la operación en modo diesel:
67
Potencia eléctrica [kW];
Consumo de diesel [kg/h];
Temperatura de los gases de escape [°C];
Temperatura del agua en la entrada del radiador [°C];
Temperatura del agua en la salida del radiador [°C];
Temperatura del aceite [°C];
Temperatura de la carcasa del generador [°C].
Para la evaluación en modo diesel-biogás, además de los parámetros
descritos, se registraron:
Consumo de biogás [m3/h];
Concentración de CH4 [%];
Concentración de H2S[ppm];
Concentración de CO2[%];
Temperatura del biogás en la entrada del compresor [°C];
Temperatura del biogás a la salida del compresor [°C];
Humedad relativa del biogás [%];
Presión en el tanque de biogás [Pa];
Presión de salida del tanque de biogás [Pa].
5.4. Reducción de Datos
Los valores que se obtienen del HP BenchLinkAgilent son:
Potencia eléctrica (Pel) [kW];
Consumo de diesel (𝑚 𝐷) [kg/h];
Consumo de biogás (𝑚 𝐵) [m3/h];
68
Temperaturas (T) [°C].
A continuación se presenta la formulación de ecuaciones para obtener los
valores de los parámetros de interés.
5.4.1. Potencia
La potencia mecánica generada por el motor se determinará en función
de la potencia eléctrica generada:
𝑃𝑚𝑒𝑐 =𝑃𝑒𝑙𝜂𝐺
Donde:𝑃𝑚𝑒𝑐 es la potencia mecánica en el eje en [kW], 𝑃𝑒𝑙 es la potencia
eléctrica generada en [kW] y 𝜂𝐺 es la eficiencia de conversión de energía del
generador eléctrico.
5.4.2. Flujo Másico de Diesel
El flujo másico de diesel se determinó en función a la masa inicial y final
de combustible para la prueba en cada carga y la duración de la prueba.
𝑚𝐷 =𝑚𝑓 −𝑚𝑖
𝑡
Donde: 𝑚𝐷 es el flujo másico de diesel [kg/h], 𝑚𝑓 y 𝑚𝑖 son la masa final e inicial de
combustible [kg], respectivamente y 𝑡 es el tiempo [h].
5.4.3. Tasa de Substitución Diesel-Biogás
La tasa de substitución diesel-biogás fue calculada en función del
consumo original de diesel antes y después del suministro del biogás.
𝑇𝑆𝐷/𝐵 = 1 −𝑚 𝐷𝑓𝑚 𝐷𝑖
∙ 100
69
Donde: 𝑇𝑆𝐷/𝐵 es la tasa de substitución de diesel por biogás, 𝑚 𝐷𝑖es el
flujo másico de diesel antes de la substitución y 𝑚 𝐷𝑓 es el flujo másico de diesel
después de la substitución.
5.4.4. Consumo Específico de Combustible
Es la tasa de consumo de combustible por unidad de salida de potencia.
Este parámetro mide cuán eficientemente un motor utiliza el combustible que se
le administra para producir trabajo útil.
a. Modo diesel
El consumo específico es determinado por la razón entre el consumo de
diesel y la potencia en el eje del motor.
𝑐𝑒𝑐𝐷 =𝑚 𝐷𝑃𝑚𝑒𝑐
Donde:𝑐𝑒𝑐𝐷 es el consumo específico de combustible diesel en [g/kW∙h] y
𝑚 𝐷 es el flujo de diesel en [kg/h].
b. Modo diesel-biogás
Para la operación en modo diesel-biogás, se utiliza el concepto de
consumo equivalente de diesel: el flujo de diesel es corregido por la razón entre
el PCI del biogás y el PCI del diesel. De esta manera, se calcula el consumo
específico como si el motor consumiera sólo combustible diesel.
𝑐𝑒𝑐𝐷/𝐵 =𝑚 𝐷 +
𝑃𝐶𝐼𝐵
𝑃𝐶𝐼𝐷∙ 𝑚 𝐵
𝑃𝑚𝑒𝑐
Donde: 𝑐𝑒𝑐𝐷/𝐵 es el consumo específico de diesel y biogás en [g/kW∙h],
𝑃𝐶𝐼𝐵 es el PCI del biogás en [MJ/kg] y 𝑚 𝐵 es el flujo másico de biogás en [kg/h].
70
5.4.5. Rendimiento Térmico
Es un parámetro adimensional que relaciona la producción deseada del
motor (potencia) con la tasa de entrada necesaria de energía (flujo de
combustible). De esta manera, la potencia en el eje y el calor total obtenido del
combustible son relacionados (Heywood, 1988).
a. Modo diesel
𝜂𝑇,𝐷 =𝑃𝑚𝑒𝑐
𝑚 𝐷 ∙ 𝑃𝐶𝐼𝐷=
1
𝑐𝑒𝑐𝐷 ∙ 𝑃𝐶𝐼𝐷
Donde: 𝜂𝑇,𝐷 es el rendimiento térmico del motor utilizando diesel.
b. Modo diesel-biogás
𝜂𝑇 ,𝐷/𝐵 =𝑃𝑚𝑒𝑐
𝑚 𝐷 ∙ 𝑃𝐶𝐼𝐷 + 𝑚 𝐵 ∙ 𝑃𝐶𝐼𝐵
Donde: 𝜂𝑇,𝐷/𝐵 es el rendimiento térmico utilizando diesel y biogás.
5.5. Análisis de Incertezas
El análisis de las incertezas experimentales envueltas se encuentra en el
Anexo 1. Los parámetros evaluados y sus incertezas se muestran en la Tabla 10.
Tabla 10. Incertezas analizadas.
Parámetro Incerteza Temperatura ± 0,2 °C
Masa ± 0,01 kg
Flujo de biogás ± 1 %
Potencia eléctrica ±5%
Concentración de CH4 0,5 %
Concentración de H2S 0,5 %
Concentración de CO2 0,5 %
Humedad relativa del biogás 5%
71
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Se dividieron los resultados en cinco secciones: purificación de biogás,
compresión de biogás, substitución parcial de diesel por biogás, discusión acerca
de los gases de escape y ahorro en el proceso de generación.
6.1. Purificación de biogás
6.1.1. Pruebas en laboratorio
En la Tabla 11podemos observar que el sistema de filtros utilizado en
laboratorio (carbón activado) separa principalmente el H2S, elemento que
representa un mayor peligro para los componentes del motor y el compresor. Se
obtuvieron concentraciones de H2S menores a los límites establecidos para su
utilización en MCI; es decir, menores que 1000 ppm.
Tabla 11. Separación de elementos indeseados del biogás.
Contaminante Unidad Concentración
Entrada Salida
H2S ppm 2000 84 CO2 % vol. 22 21 CH4 % vol. 41 41
6.1.2. Pruebas en planta
En la
Tabla 12 se pueden observar los resultados para los componentes
contaminantes del biogás analizados en el sistema de purificación en planta.
72
Tabla 12. Contenido de contaminantes del biogás en la purificación.
Se puede observar que el contenido de metano inicial, antes de la
purificación en laboratorio y en planta difiere, probablemente debido a la
contaminación del combustible con aire en el momento del llenado del
gasómetro para el transporte.
El contenido de H2S se reduce hasta 446 ppm, valor que se encuentra por
debajo de las 1000 ppm establecidas como límite de utilización por Wellinger y
Lindberg (2000) en Europa.
El filtro para CO2 mediante lavado con agua, logra reducir la
concentración de este contaminante en 65%, incrementando el poder calorífico
del biogás procesado.
La humedad relativa del biogás alcanzó valores de 23%, los cuales se
encuentran por debajo de los límites establecidos en algunos países de Europa
(entre 60 y 80%).
Parámetro Salida
Digestor Entrada
Filtro H2S Entrada
Compresor Entrada
Filtro CO2 Entrada Secador
Salida Secador
CH4, % 51 51 43 43 65 64
CO2, % 30 29 29 29 23 23
O2, % 0 0 0,8 0,8 0,9 0,9
H2S, ppm >2000* >2000* 446 440 375 368
CO, ppm 114 114 109 109 103 102
H.R., % 37 - - - - 23
* Sobrepasa el límite de medición del instrumento.
73
El contenido de O2 se incrementa ligeramente tras cada etapa de
purificación debido a la contaminación del biogás con aire durante las
mediciones realizadas.
6.2. Compresión de biogás
Las pruebas de compresión se realizaron durante las pruebas de
purificación pues el compresor formó parte del sistema de purificación,
compresión y almacenamiento de biogás.
Las pruebas se realizaron utilizando el sistema de control eléctrico del
compresor, regulando el presóstato para la presurización hasta 4 bar y 5 bar.
En las Figura 19 y Figura 22, se muestran las curvas de temperatura del
gas en el ingreso y en la salida del compresor. Como se puede observar, la
temperatura en la succión se mantiene constante y la temperatura de descarga
tiene una tendencia ascendente, para ambos casos.En las Figuras Figura 20 y
Figura 23, se observa el mismo caso, la presión dentro del tanque se incrementa
hasta llegar a la presión establecida por el presóstato, luego de la cual, el
compresor se apaga.
En las Figuras Figura 21 y Figura 24, se presentan las curvas del flujo
volumétrico de biogás para las dos presiones de prueba: 4 y 5 bar. Debido a que
el presóstato desconectó el compresor luego de alcanzar la presión de prueba
determinada, el flujo volumétrico cayó, fenómeno que se observa en las figuras.
74
Figura 19. Temperatura de ingreso y salida del compresor a 4 bar.
Figura 20. Presiones de entrada y salida del compresor a 4 bar.
75
Figura 21. Flujo volumétrico de biogás a4 bar.
Figura 22. Temperatura de ingreso y salida del compresor a 5 bar.
76
Figura 23. Presiones de entrada y salida del compresor a 5 bar.
Figura 24. Flujo volumétrico de biogás a 5 bar.
6.3. Substitución parcial de diesel por biogás
Las pruebas en modo diesel-biogás fueron realizadas en el Instituto de
Energía y Medio Ambiente de la Universidad Católica San Pablo – iEM-UCSP. El
77
biogás utilizado para las pruebas fue transportado desde la planta de la empresa
Fundo América en Santa Rita de Siguas, Arequipa en contenedoresde tipo
gasómetro de 2 m3 de capacidad a una presión semejante a la del biodigestor; es
decir, ligeramente superior a la presión atmosférica.
En el Laboratorio de Energía del iEM-UCSP, el biogás fuefiltrado,
comprimido y almacenado en el tanquepara su utilización en el motor.
Inicialmente, el biogás fue presurizado a 0,5 MPa. Antes de su utilización
en el motor, la presión fue reducida a 0,3 MPa, pues ésta es la presión requerida
por los inyectores de biogás.
Los experimentos fueron realizados manteniendo una potencia constante
de 25 kW. En la Figura 25, podemos observar las características de los
experimentos con dos tasas de substitución.
El concepto de DutyCycle (DC) se refiere a la fracción de tiempo donde la
señal es positiva o se encuentra en estado activo. Es un valor comprendido entre
0 y 1 en el inyector y se utiliza principalmente para regular la cantidad de biogás
inyectada al motor.
Fueros realizados experimentos con dos DC, de 30% y 50%, también se
puede observar en la Figura 25que para valores mayores de DC, o sea mayores
cantidades de biogás, la temperatura de los gases de escape aumentan, este
efecto se debe a la mayor temperatura de combustión del biogás.
78
Figura 25. Temperatura, potencia y DutyCycle.
En la
Figura 26se presenta la variación del flujo másico de diesel y del flujo
volumétrico de biogás para diferentes valores de la Tasa de Substitución.
Podemos observar que para valores mayores de Tasa de Substitución la
cantidad del flujo másico de diesel es menor compensada por el ingreso de
biogás.
Las tasas de substitución analizadas fueron de 17,9% y 36,7%. Esto
significa que podemos mantener la potencia del generador reduciendo
significativamente el consumo de combustible.
79
Figura 26. Flujo másico de diesel y biogás con la tasa de substitución.
Se realizaron también pruebas en campo, utilizando biogás proveniente
del biodigestor de la Empresa y se obtuvieron los siguientes resultados. En estas
pruebas, se realizó un mapeamiento del motor para encontrar el DutyCycle y la
tasa de substitución permisible en un intervalo de potencias.
En la Figura 27 se puede observar la variación del DutyCycle con respecto
a la potencia mecánica generada y la reducción del consumo de diesel en modo
bicombustible.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 10 20 30 40
Flu
jo m
ásic
o, k
g/h
Tasa de Substitución, %
Consumo diesel, kg/h
Consumo biogás, kg/h
80
Figura 27. Consumo de diesel y DutyCycle vs. Potencia Mecánica.
En la Figura 28 se puede apreciar la tasa de substitución (función del
DutyCycle) alcanzada para cada potencia evaluada y el incremento de la
temperatura de los gases de escape conforme se incrementó la tasa de
substitución de diesel por biogás y la potencia generada. La máxima tasa de
substitución alcanzada fue de 64,37% generando 30 kW de potencia eléctrica.
Figura 28. Tasa de substitución, DC y temperatura de los gases vs. Potencia.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00
Du
ty C
ycle
, %
Co
nsu
mo
Die
sel,
kg/h
Potencia Mecánica, kW
Modo Diesel
Modo Diesel-Biogás
Duty Cycle
0
50
100
150
200
250
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00
Tem
pe
ratu
ra d
e g
ase
s, °
C
Tasa
de
Su
bst
itu
ció
n, %
; D
uty
Cyc
le,
-
Potencia Mecánica, kW
Tasa de Subst.
Duty Cycle
Temp. Gases
81
En la Figura 29 se observa una clara reducción del consumo específico de
combustible conforme se incrementa el DutyCycle (proporcional a la tasa de
substitución). Para altas potencias, el c.e.c. es menor, pues debido a que el
motor-generador fue diseñado para trabajar en altas cargas, se obtiene una
utilización más eficiente del combustible.
Figura 29. Consumo específico de combustible vs. DutyCycle.
En la Figura 31 se observa el rendimiento térmico para la operación en
modo diesel y en modo diesel-biogás. En modo diesel, este parámetro se va
incrementando hasta alcanzar valores de 40%, que son usuales en un motor de
ciclo Diesel. En modo diesel-biogás, este valor se incrementa debido al
suministro de un combustible adicional al motor. Algunos autores, como
Tippayawong et al. (2007) indican que por este motivo, el rendimiento térmico
utilizando dos combustibles es mayor. Sin embargo, los valores altos mostrados
en la gráfica, se deben a la utilización de un medidor de flujo para gas, que midió
el flujo de todo el combustible gaseoso incluyendo los componentes que no
contribuían al poder calorífico del mismo, que sin embargo fueron considerados
en el cálculo.
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
800.00
900.00
0 20 40 60 80
c.e
.c.,
g/k
Wh
Duty Cycle, %
c.e.c. D
c.e.c. D/B
82
Figura 30. Rendimiento térmico vs. DutyCycle.
En los resultados presentados, se observa que debido a la operación del
KIT de conversión, es posible mantener la potencia de salida del motor-
generador variando el suministro de biogás.
6.4. Discusión acerca de los gases de escape
La formación de contaminantes como el MP, los NOX, el HC y otros se ve
modificada al momento de sustituir el combustible diesel por uno gaseoso como
el biogás. En algunos casos, la concentración de los mismos se reduce
drásticamente y en otros, se incrementa ligeramente. Este fenómeno da origen a
una discusión sobre el grado en que cada uno se incrementa cuando se utilizan
ambos combustibles, diesel y biogás, con diferentes tasas de substitución y
diferentes cargas.
Heywood (1988) indica que el MP resulta de la combustión incompleta
del diesel, por lo que las temperaturas más altas del gas en altas cargas y altas
tasas de substitución promueven la oxidación del MP contribuyendo a una
reducción significativa de la concentración de MP comparada con la operación
convencional en modo diesel (Papagiannakis y Hountalas, 2003).
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 20 40 60 80
Re
nd
imie
nto
Té
rmic
o, %
Duty Cycle, %
nT Diesel
nT Diesel-Biogás
83
En la operación diesel normal, las emisiones de MP se incrementan con la
carga; sin embargo, en modo bi-combustible, las emisiones de MP se reducen
con el incremento de la carga. Se espera esto, pues se incrementa la carga
incrementando la cantidad de biogás, que no forma MP, mientras que la
temperatura más alta en la combustión permite una mejor oxidación (Sahoo et
al., 2009).
Los autores indican que las emisiones de MP en operación bi-combustible
son considerablemente menores que en la operación en modo diesel; sin
embargo, Papagiannakis y Hountalas (2003) afirman que solo en condiciones de
altas cargas y bajas tasas de substitución, la temperatura del gas es inferior
comparada con la operación en modo diesel, que tiene como resultado un ligero
incremento en las emisiones de MP.
Considerando esto, parece que la operación en modo bi-combustible es
una forma eficiente de reducir la concentración de MP, pues prácticamente, el
combustible gaseoso no produce MP, mientras que contribuye a la oxidación del
formado de la combustión del combustible líquido.
La formación de NOX es favorecida con las concentraciones de oxígeno y
las altas temperaturas de la carga y es afectada considerablemente por la
presencia de mezclas de aire y combustibles gaseosos (Papagiannakis y
Hountalas, 2003; Sahoo et al., 2009; Kouremenos et al. ,1999). El incremento de
la tasa de substitución de diesel por biogás resulta en la reducción de la
concentración de NOX comparada con la de la operación diesel convencional. En
bajas cargas, la concentración de NOX es ligeramente menor para modo bi-
combustible que para modo diesel, debido a un menor control de la combustión
del combustible gaseoso premezclado, que resulta en una menor temperatura
de la carga dentro de la cámara de combustión (Sahoo et al., 2009). En altas
cargas, la concentración de NOX se incrementa con una pendiente elevada. Sin
embargo, las emisiones de este contaminante se reducen drásticamente en
modo bi-combustible. Los autores indican que en este modo, las concentraciones
84
de NOX se reducen en 70% en promedio comparándolas con las de la operación
en modo diesel. Esto sucede debido principalmente al resultado de la menor tasa
de combustión del gas por la presencia del CO2 en el biogás (Yoon y Lee, 2011;
Sahoo et al., 2009). La reducción de los NOX ocurre principalmente por la
reducción de la temperatura del gas, la combustión más lenta y finalmente, la
reducción de la concentración de oxígeno debido a la presencia del gas, que
reemplaza una cantidad igual a la del aire en el cilindro (Papagiannakis y
Hountalas, 2003).
La tasa de formación de CO es una función de la cantidad disponible de
combustible gaseoso no quemado y la temperatura de la mezcla, ya que ambos
controlan la tasa de descomposición del combustible y la oxidación
(Papagiannakis y Hountalas, 2003). Por otro lado, Henham y Makkar (1998)
sostienen que la emisión de CO es afectada por la tasa de substitución y por la
calidad del gas, en menor proporción. Las emisiones de CO en modo bi-
combustible son significativamente más altas en modo bi-combustible en todas
las condiciones de operación (Uma et al., 2004). En cargas parciales, incrementar
la tasa de substitución ocasiona un incremento elevado de la concentración de
CO. Esto es debido a la combustión más lenta del combustible gaseoso, que
mantiene la temperatura en bajos niveles resultando en el detrimento del
proceso de oxidación del CO (Papagiannakis y Hountalas, 2003; Sahoo et al.,
2009). En cargas altas, las emisiones de CO incrementan con el incremento del
flujo másico de gas y luego de un cierto límite empiezan a decrecer, como
resultado de una mayor temperatura del gas y una combustión más rápida. En
general, las emisiones de CO en modo bi-combustible son considerablemente
mayores, comparadas con la operación diesel normal (Papagiannakis y
Hountalas, 2003).
La variación de HC no quemados es consistente con la calidad del proceso
de combustión en el motor (Heywood, 1988; Karim, 1980; Bari, 1996). En bajas
cargas, las emisiones de HC son considerablemente más altas comparadas con el
85
modo diesel y se incrementan con el incremento de la tasa de substitución. Esto
es debido a la baja temperatura de la carga y el ratio aire-combustible, lo que
resulta en una combustión más lenta y en permitir que pequeñas cantidades de
combustible escapen al proceso de combustión (Papagiannakis y Hountalas,
2003; Sahoo et al., 2009). Las bajas temperaturas del gas combinadas con una
combustión más lenta ocasionan un incremento del combustible gaseoso que no
se quema completamente. En mayores cargas, existe un incremento de
emisiones de HC con el incremento de la tasa de substitución hasta un límite en
el que empiezan a decrecer. Esto es debido al incremento de la temperatura del
gas quemado, que promueve la oxidación de los HC no quemados. En todos los
casos, las emisiones de HC son mayores en modo bi-combustible.
Diversos trabajos de investigación, además de los ya mencionados han
demostrado que usar el motor en modo bi-combustible incrementa, algunas
veces excesivamente los niveles de HC y CO, como el de AbdAlla et al. (2000) y el
de Lee et al. (2003). Con la inducción de biogás, el contenido de CO2 de la mezcla
implica un incremento de las emisiones de HC no quemados (Yoon y Lee, 2011).
Respecto a las emisiones de óxidos, Uma et al. (2004) indican que la operación
en modo bi-combustible reduce las emisiones de NOX y SO2 sin incrementar las
emisiones de MP, que son registradas también por Papagiannakis y Hountalas
(2004), junto con reducciones drásticas de MP, pero emisiones de CO y HC
considerablemente más altas. Un resultado similar es el que presentan Singh et
al. (2007), quienes postulan que la emisión de CO, CO2, NO y NOX se reduce,
mientras que los HC se incrementan.
Finalmente, según Papagiannakis y Hountalas (2003), en tanto que la
preocupación sobre el uso de combustibles gaseosos esté relacionada con las
emisiones de contaminantes, el uso del mismo tiene un efecto positivo en las
emisiones de contaminantes. El nivel de concentración de NO en operación bi-
combustible es menor comparado con el de la operación en modo diesel. En
operación bi-combustible, las emisiones de CO y HC son generalmente altas
86
comparadas a las de la operación en modo diesel. Su valor incrementa con el
flujo másico de combustible gaseoso y sólo en altas cargas y altas tasas de
substitución se registra una reducción. También existe una drástica reducción de
emisiones de MP en modo bi-combustible. El efecto es mayor en condiciones de
cargas altas y flujos másicos de gas altos.
La dinámica de formación de los contaminantes tratados en este trabajo
es consistente con la tendencia de utilizar este tipo de MCI en altas cargas y con
altas tasas de substitución para obtener el mayor beneficio de la tecnología: en
cargas elevadas los MCI presentan eficiencias mayores que en cargas bajas y
además, con mayores tasas de substitución se utiliza una mayor cantidad de
biogás, disminuyendo la cantidad de diesel, situación que resulta en un beneficio
económico bastante evidente.
Por lo tanto, la combustión en modo bi-combustible como sustituta de la
utilización de combustibles fósiles líquidos es una técnica promisoria para
controlar las emisiones de NO y MP en motores de ciclo Diesel existentes,
requiriendo modificaciones mínimas que no alteran la estructura del motor.
6.5. Ahorro en el proceso de generación de energía eléctrica
La substitución parcial de diesel por biogás constituye una oportunidad
para la reducción de costos en el proceso de generación de energía eléctrica. La
Empresa en la que se desarrolla el trabajo tiene, como muchas empresas
industriales, la necesidad de apagar sus equipos durante 4 horas, denominadas
horas punta, en las que la electricidad cuesta hasta 10 veces más. En este
tiempo, la Empresa debe utilizar un motor-generador para suplir su demanda
energética y enfriar la leche que producen sus vacas.
Debido a que las horas punta dispuestas por el gobierno tienen una
duración de 4 horas, se ha calculado el ahorro que tiene la empresa al utilizar el
87
motor-generador substituyendo el diesel por el biogás durante ese período en
lugar de consumir electricidad durante las horas punta.
El costo mensual de generación de electricidad incrementa conforme a la
potencia eléctrica generada (Figura 31). El costo mensual del mismo proceso
utilizando diesel es menor, es por eso que muchas empresas utilizan motores-
generadores durante este período. Al utilizar biogás, la Empresa podría reducir
sus costos de energía en aproximadamente 70%, pues el biogás que utiliza no
representa costos adicionales para la misma. Se puede afirmar esto porque la
inversión realizada no forma parte del costo de generación de electricidad, pues
se realizó con el fin de obtener biofertilizantes que actualmente se utilizan y el
costo del mantenimiento de los equipos ya se encuentra cubierto por la
producción de fertilizantes que la Empresa tiene dentro de sus actividades
normales.
Figura 31. Costo de generación de electricidad vs. Tasa de Substitución.
La producción de electricidad utilizando diesel y biogás constituye una
solución a uno de los problemas de la Empresa de inutilización y contaminación
con sub-productos y además, le permite obtener un ahorro económico en la
generación de energía eléctrica.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 5 10 15 20 25 30 35
Co
sto
me
nsu
al d
e g
en
era
ció
n d
e
ele
ctri
cid
ad, S
/.
Potencia generada, kW
Sólo diesel
Electricidad
Diesel y biogás
88
7. CONCLUSIONES
La tecnología de substitución de diesel por biogás ofrece una oportunidad
para utilizar biocombustibles provenientes de la digestión anaeróbica realizada
ampliamente en el Perú, para la reducción de emisiones contaminantes y el
ahorro de recursos económicos.
Como principales conclusiones, se destacan:
1. La substitución de diesel por biogás se presenta como una alternativa
para la reducción de emisiones contaminantes como el material
particuladoy los óxidos de nitrógeno.
2. Esta tecnología permite la reducción de costos en el proceso de
generación de energía eléctrica. Tasas de substitución mayores a 20%
implican un ahorro en el costo mencionado para la generación en
período pico.
3. Es posible utilizar biogás en motores de combustión interna de ciclo
Diesel realizando modificaciones externas que no interfieren con la
ingeniería del motor y con una inversión razonable.
4. La tecnología de substitución de diesel por biogás, permite la
utilización de ambos combustibles para la generación de energía
eléctrica. Sin embargo, en el caso de desabastecimiento de biogás,
por alguna probable falla en el proceso de digestión, se puede utilizar
sólo diesel, con el objetivo de no interferir ni perjudicar la operación
de la planta.
89
5. El proceso de purificación realizado con los dispositivos de separación
de los contaminantes, permite alcanzar niveles menores a los
permitidos por los estándares para los mismos. La reducción del
contenido de contaminantes permitió la utilización de biogás de
mejor calidad en las pruebas.
90
8. RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS
Para investigaciones y estudios posteriores, se recomienda evaluar los
siguientes puntos:
1. Analizar las emisiones de gases contaminantes con equipos
adecuadamente calibrados, que permitan corroborar de forma
experimental la reducción de este tipo de emisiones.
2. Utilizar un mezclador de aire y biogás de tipo Venturi para
homogenizar la mezcla de ambos fluidos y de esta manera, mejorar la
combustión del biogás dentro de los cilindros y probablemente,
reducir las emisiones de hidrocarburos no quemados emitidos al
medio ambiente.
3. Analizar la viabilidad de utilizar los calores residuales del proceso de
combustión de diesel y biogás para obtener otra forma de energía
útil, que permita la conservación de recursos energéticos.
91
9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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96
10. ANEXOS
10.1. Análisis de Incerteza
a. Flujo de Masa
f i
2 2 2
D D D
D F i
f i
2 2 2
f i f i
D
˙
i 2
m mm
t
m m mdm *dm *dm *dt
m m t
m m (m m )dm *dt *dm *dt
t t t
D
b. Potencia Mecánica
el
mec
2 2
2 mec mec
mec el
el
22
el
mec el 2
PP
P PdP *dP *d
P
P1dP *dP *d
G
G
G
G
G G
η
ηη
ηη η
c. Tasa de substitución
Di
D/B
Df
2 2
2 D/B D/B
D/B Di Df
Df Df
22
2 Df
D/B Di Df2
Df Df
mTS 1 *100
m
TS TSdTS *dm *dm
m m
100m100dTS *dm *dm
m m
97
d. Consumo Específico de combustible
D
D
mec
22
2 D D
D D mec
D mec
2 2
2 D
D D
mec mec
Mcec
P
cec cecdcec *dm *dP
m P
m1dcec *dm
P P
BD B
DD/B
mec
2 2 2
2 D/B D/B D/BD/B D B D
D B D
22
D/B D/BB mec
B mec
2 2 2
2 B B BD/B D B D2
mec D mec mec D
PCIm *m
PCIcec
P
cec cec cecdcec *dm *dPCI *dPCI ...
m PCI PCI
cec cec... *dm *dP
m P
m PCI *M1dcec *dm *dPCI *dPCL .
P PCI *P P *(PCI )
2
B2 D B
DBB mec
D mec mec
..
PCIm *m
PCIPCI... *dm *dP
PCI *P P
e. Rendimiento Térmico
T,D
D D
2 2
T,D T,D2
T,D D D
D D
2 2
2
T,D D D2 2
D D D D
1n
cec * PCI
n ndn *dcec *dPCI
cec PCI
1 1dn *dcec *dPCI
PCI *(cec ) cec * (PCI )
98
2 2 2
T,D/B T,D/B T,D/B2
T,D/B mec D D
mec D D
2 2
T,D/B T,D/B
B B
B B
2 2
2 mecT,D/B mec D2
D D B B D D
2
mec mecD2
D D B
n n ndn *dP *dm *dPCI ...
P m PCI
n n... *dm *dPCI
m PCI
P1dn *dP *dm ...
m *PCI *m *PCI PCI *(M )
P P... *dPCI
m *(PCI ) PCI
2 2
mecB B2 2
B B B
P*dm *dPCI
*(M ) m *(PCI )
f. Coeficiente de expansión adiabática
Ɛ = Ɛ(𝑃1,𝑃2,β) = 1 − 0.351 + 0.256 β4 + 0.93β8 1 − 𝑃2
𝑃1
1/𝐾
𝜕Ɛ
𝜕β= −(1.024 β3 + 7.44β7) 1 −
𝑃2
𝑃1
1/𝐾
𝜕Ɛ
𝜕𝑃1=
(0.351 + 0.256 β4 + 0.93β8) 1 − 𝑃2
𝑃1
1/𝐾
𝑥𝑃2
𝐾𝑥𝑃12x 1 −
𝑃2
𝑃1
𝜕Ɛ
𝜕𝑃2=
(0.351 + 0.256 β4 + 0.93β8) 1 − 𝑃2
𝑃1
1/𝐾
𝐾𝑥𝑃1 1 −𝑃2
𝑃1
δƐ2 = −(1.024 β3 + 7.44β7) 1 − 𝑃2
𝑃1
1/𝐾
𝑥 δβ
2
+ (0.351 + 0.256 β4 + 0.93β8) 1 −
𝑃2
𝑃1
1/𝐾
𝑥𝑃2
𝐾𝑥𝑃12x 1 −
𝑃2
𝑃1
𝑥 δ𝑃1
2
+ (0.351 + 0.256 β4 + 0.93β8) 1 −
𝑃2
𝑃1
1/𝐾
𝐾𝑥𝑃1 1 −𝑃2
𝑃1
𝑥δ𝑃2
2
g. Área de la tobera
99
A = A d = A =π x d2
4
∂A
∂d=
π x d
2
δA
A=
1
2 x dxδd
10.2. Potencia en la ciudad de Arequipa.
Tabla de pérdida de potencia según altura sobre nivel del mar (según el fabricante):
m.s.n.m. Pérdida de potencia
2000 4.22%
2500 10.78%
3000 17.34%
3500 23.90%
3700 26.52%
4000 30.45%
4200 33.08%
4500 37.01%
Altitud (Arequipa) = 2335 m.s.n.m. Extrapolando:
m.s.n.m.
Pérdida de potencia por la altitud
2000 4.22%
2335 8.62%
2500 10.78%
Potencia Prime (según fabricante) 36 KW
Potencia Prime (Arequipa) 32.9 KW