UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE

Nombre: CHRISTIAN GARCIA NARVAEZAsignatura: MOTORES ESPECIALES

Fecha: 21/07/2015

INFLUENCIA CONTAMINANTE DEL USO DEL GAS NATURAL COMO CARBURANTE AUTOMOTRIZ

GAS NATURAL

El gas natural es un combustible compuesto por un conjunto de hidrocarburos livianos, el principal componente es el metano (CH4). Se puede encontrar como “gas natural asociado” cuando está acompañando de petróleo, o bien como “gas natural no asociado” cuando son yacimientos exclusivos de gas natural.

Ilustración 1

Fuente: http://www.fundaciongasnaturalfenosa.org/SiteCollectionDocuments/Actividades/Seminarios/Granada%20040702/Carmen%20Calleja.pdf

Ilustración 2

Fuente: http://www.cinydesac.com/articulos/Bondades-del-gas-natural.pdf

Gas Natural Licuado (GNL)

El GNL es gas natural que ha sido sometido a un proceso de licuefacción, que consiste en llevarlo a una temperatura aproximada de -1600 C con lo que se consigue reducir su volumen en 600 veces. Esto permite transportar una cantidad importante de gas en buques llamados metaneros. El GNL se halla en estado líquido mientras que el gas seco (que viaja por gasoducto) se encuentra en estado gaseoso.

Fuente: http://www.iae.org.ar/archivos/educ_gnl.pdf

Cuando el GN es sometido a un proceso de licuefacción en el cual se enfría a una temperatura criogénica, por debajo de –160ºC a presión atmosférica, se condensa a líquido, y se conoce como gas natural licuado (GNL) (Arias, 2006). La principal ventaja del GNL sobre el GN es que su volumen es 600 veces menor. Además, el GNL pesa apenas un 45% de su volumen equivalente en agua. La ventaja del GNL en volumen y peso hace que sea factible de almacenarlo y transportarlo de las zonas productoras a las consumidoras. Como características principales el GNL es inodoro, incoloro, no tóxico, su densidad relativa (respecto al agua) es 0,45 y sólo se quema si entra en contacto con aire a concentraciones de 5% a 15% (límites de inflamabilidad). La densidad del GNL está entre 0,44 y 0,47 tonelada por metro cúbico, dependiendo también de su composición. Los valores caloríficos para el GNL ya regasificado van desde 37,6 MJ/m3 hasta 41,9 MJ/m3. (AIE, 2007) El valor calorífico del GNL puede expresarse en MJ por metro cúbico del gas licuado o GJ por tonelada. La relación entre un metro cúbico de GNL y un metro cúbico de GNL regasificado depende de la composición del GNL y es aproximadamente 1:600 (AIE, 2007).

Gnc:

Se denomina GNC al gas natural comprimido a altas presiones y almacenado en depósitos. Esta compresión se realiza para poder almacenar una cantidad de energía considerable en un volumen limitado.

El único inconveniente que conlleva es que cuanta mayor sea la energía almacenada en el tanque, mayor serán los efectos negativos en caso de un accidente que afecte al sistema de almacenamiento. Sin embargo, cabe mencionar que el GNC es menos peligroso que otros combustibles debido a que presenta una elevada temperatura de ignición (700ºC) y un rango de inflamabilidad muy bajo (suele oscilar entre 5-15% de la mezcla aire/gas a presión atmosférica).

Se utiliza como combustible para uso vehicular ya que es económico y ambientalmente limpio (se justificará en apartados posteriores), por lo que es considerado una alternativa para la sustitución de combustibles líquidos. La utilización de elevadas presiones permite almacenar una cantidad de energía considerable para proveer la máxima autonomía posible al vehículo.

El gas natural se suele comprimir a 250 bar y se almacena en el vehículo en cilindros instalados en la parte trasera, el chasis, o en el techo, a una presión de 200 bar.

Fuente: http://sanjanasadhani.weebly.com/uploads/1/0/6/4/10643581/memoria.pdf

livianos

Ilustración 3

Ilustración 4

Ilustración 5

Pesados

Ilustración 6

Ilustración 7

GNV:

La toma de conciencia de la degradación del medio ambiente causada por las emisiones de gases de escape de origen vehicular, ha inducido a la búsqueda de combustibles más “limpios”. El factor geográfico de la ciudad de Lima con cercana presencia de la cordillera de Los Andes impide la limpieza de la atmósfera por barrido de los vientos, creando así una capa de inversión de baja altura y una consiguiente acumulación de partículas contaminantes. El GNV

posee innumerables beneficios medio ambientales entre los cuales podemos mencionar: - No contiene Azufre ni plomo. - Reducción de hasta 97% en emisiones de monóxido de carbono (CO) con respecto a los combustibles líquidos - Reducción de hasta 97% de emisiones contaminantes con respecto a los combustibles líquidos - Reducción de hasta 100% de emisiones de particulado. - Los vehículos transformados a GNV superan las Normas EURO III vigentes actualmente e inclusive las normas EURO IV que están por ser emitidas.

Ilustración 8

Ilustración 9

FUENTE: http://www.conuee.gob.mx/archivospdf/presentacionGNVNov13.pdf

Ventajas ecológicas

Ilustración 10

Separación de gas natural de contaminantes:

El gas natural contiene aproximadamente un 90% en volumen de metano pero tiene trazas de

gases sulfurados que actúan envenenando los catalizadores, por lo que debe ser desulfurado.

Este proceso se lleva a cabo mediante algunos procesos mediante diferentes aplicaciones para

la eliminación de compuestos sulfurados a base de níquel o cobre-zinc, describa por lo menos

dos maneras de eliminar este compuesto presente en el gas natural El proceso de reformado

El gas natural contiene aproximadamente un 90% en volumen de metano pero tiene trazas de

gases sulfurados que actúan envenenando los catalizadores, por lo que debe ser desulfurado.

Este proceso se lleva a cabo mediante algunos procesos mediante diferentes aplicaciones para

la eliminación de compuestos sulfurados a base de níquel o cobre-zinc, describa por lo menos

dos maneras de eliminar este compuesto presente en el gas natural El proceso de reformado.

Ilustración 11

Fuente: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lpro/vega_z_j/capitulo3.pdf

Fraccionamiento del Gas Natural

El fraccionamiento es una operación de unidad utilizada para separar mezclas dentro de productos individuales. El fraccionamiento implica la separación de componentes por la volatilidad relativa (a). La dificultad de una separación directamente es relacionada con la volatilidad relativa de los componentes y la pureza requerida de las corrientes del producto.

La forma más utilizada para la separación de los componentes del gas natural es mediante enfriamiento, se utilizan los principios de refrigeración mecánica o autorefrigeración mediante el principio de Joule Thompson (expansión isentrópica o adiabática). Posteriormente la mezcla liquida es sometida a fraccionamiento en una columna de platos o empaques.

Ilustración 12

Columna de fraccionamiento

Una columna de fraccionamiento, también llamada columna de platos o columna de platillos, es un aparato que permite realizar una destilación fraccionada.

Destilación fraccionada

Una destilación fraccionada es una técnica que permite realizar una serie completa de destilaciones simples en una sola operación sencilla y continua. La destilación fraccionada es una operación básica en la industria química y afines, y se utiliza fundamentalmente en la separación de mezclas de componentes líquidos.

Ilustración 13

Fundamento teórico

consiste en el calentamiento de la mezcla, que da lugar a un vapor más rico que la mezcla en el componente más volátil (destilación simple). El vapor pasa a la parte superior de la columna donde condensa. Como la temperatura sigue aumentando, a su vez este condensado se calienta dando lugar a un vapor aún más rico en el componente más volátil (más ligero, de menor punto de ebullición), que vuelve a ascender en la columna (nueva destilación simple). De la misma forma el líquido condensado de cada paso va refluyendo hacia la parte baja de la columna, haciéndose cada vez más rico en el componente menos volátil.

Ilustración 14

Ilustración 15

Fuent: https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/15862/tesisUPV3510.pdf?sequence=1

PRODUCCIÓN DEL GAS NATURAL Y METANO

Extracción del gas natural

Perforación Una práctica habitual usada para rentabilizar la explotación es la agrupación de

varios pozos, separados de 5 a 8 m entre ellos, en una sola plataforma. Los pozos se perforan

consecutivamente y se distribuyen de tal manera que permiten cubrir un área determinada del

estrato de pizarra sin dejar huecos. El número de plataformas por km² es de 1,5 a 3,5. Cada

plataforma requiere una superficie de 1,5 a 2 hectáreas, que permita almacenar todo el fluido

de fractura, los lodos de perforación, el equipo asociado a las operaciones de fractura

hidráulica, el correspondiente a la perforación vertical y el correspondiente a la perforación

horizontal (diferente del anterior y muy numeroso), sin olvidar los restos de la perforación y el

fluido de fabricados en acero que refuerzan el orificio de perforación.

Ilustración 16

El espacio existente entre el exterior del tubo y la pared del pozo (ánulo) se suele cementar. A

medida que aumenta la profundidad de perforación, la correcta realización del cementado

resulta cada vez más complicada. Sin embargo, es de suma importancia puesto que en la fase

de fractura hidráulica el pozo es sometido a múltiples cambios de presión muy fuertes. Los

tubos de revestimiento junto al cementado cumplen una función estructural (proporcionan

solidez y consistencia al pozo), previniendo un hundimiento del pozo y corrimientos de la tierra

superficial que rodea la boca de éste. Además, cumplen otra función fundamental: protegen

los acuíferos de posibles contaminaciones por los lodos de perforación, el fluido de fractura, o

cualquiera de las sustancias presentes en la roca y liberadas en los procesos de perforación y

fractura hidráulica (el propio gas metano, metales pesados, partículas radiactivas, etc.).

Ilustración 17

Una vez alcanzado el estrato deseado se utilizan explosivos para crear pequeñas grietas

alrededor del orificio de producción. retorno y demás sustancias que emergen del pozo. El

proceso de perforación se lleva a cabo ininterrumpidamente las 24 horas del día durante

meses. A medida que se perfora el pozo, se van instalando una serie de tubos de revestimiento

(casing).

Fractura Hidráulica

Se emplea para extender las pequeñas fracturas varios cientos de metros, inyectando un fluido

a una elevada presión (entre 34 y 690 atmósferas, equivalentes a la presión que hay bajo el

mar a una profundidad de 3450-6900 m). En la actualidad, se divide el tramo horizontal en

varias etapas independientes (de 8 a 13) empezando por el extremo final (pie) del pozo.

Además, cada etapa es fracturada alrededor de 15 veces consecutivas, cada una con aditivos

específicos. Por tanto, cada pozo es sometido a un gran número de fuertes compresiones y

descompresiones que ponen a prueba la resistencia de los materiales y la correcta realización

de la cementación, de las uniones, del sellado, etc. Aproximadamente un 98% del fluido

inyectado es agua y un agente de apuntalamiento, (normalmente arena) que sirve para

mantener abiertas las fracturas formadas, permitiendo así la extracción posterior del gas a

través del tubo de producción. El 2% restante son productos químicos que sirven para lograr

una distribución homogénea del agente de apuntalamiento, facilitar el retroceso del fluido,

inhibir la corrosión, limpiar los orificios y tubos y como antioxidante, biocida/bactericida. Sólo

para la fase de fractura, una plataforma con 6 pozos de 2 km de profundidad y 1,2 km de

recorrido horizontal necesita entre 72.000 y 210.000 toneladas de agua. Parte del agua se

extrae directamente de fuentes superficiales o subterráneas del lugar y es transportada en

camiones o a través de tuberías. Si se tiene en cuenta todo el proceso y no sólo la fase de

fractura, el consumo de agua aumenta de un 10% a un 30%.

Ilustración 18

Fuente: www.comimsa.com.mx

Orígenes del metano.

El metano se produce por la descomposición de substancias vegetales, principalmente

celulosa, por la acción de microorganismos, y se desprende del cieno de algunos pantanos, por

lo que también suele denominarse gas de los pantanos. Los orígenes principales de metano

son:

Descomposición de los residuos orgánicos 28%. Agente común de descomposición es el

calor, que puede descomponer tanto los compuestos inorgánicos como los orgánicos. La

descomposición también puede producirse por la acción química, la catálisis, las bacterias, las

enzimas y la luz. La fermentación, por ejemplo, es causada por la acción de las enzimas. El

término descomposición se aplica también al fenómeno de desintegración biológica o

putrefacción causado por los microorganismos. Sin embargo, mediante la descomposición

también pueden obtenerse productos útiles como el petróleo.

Fuentes naturales (pantanos) 23%. Bacterias que obtienen su energía a través de la

producción metabólica de gas metano, a partir del dióxido de carbono y del hidrógeno. La

mayoría son anaerobias, es decir, que viven en ausencia de oxígeno. Las bacterias de este

género, provocan la descomposición anaerobia de la materia de origen vegetal, por ello se

encuentran en las charcas, en el suelo y en el tracto digestivo de las vacas y de otros

rumiantes.

Extracción de combustibles fósiles 20%. El metano tradicionalmente se quemaba y emitía

directamente. Hoy día se intenta almacenar en lo posible para reaprovecharlo formando el

llamado gas natural.

Los procesos en la digestión y defecación de animales 17%. Especialmente del ganado

generado por las bacterias del trasto digestivo.

Las bacterias en plantaciones de arroz 12%. La agricultura da cuenta de alrededor de una

quinta parte del efecto invernadero produciendo cerca del 50 y el 70% respectivamente, 5 de

todas las emisiones antropogénicas de CH4 y N2O, aunque esta última no nos interesa en este

proyecto.

Ilustración 19

Obtención de metano en vertederos

La fracción de residuos de transformados vegetales que se deposita en vertedero es

susceptible de someterse a tratamiento con el resto de residuos urbanos para la obtención de

metano. Se llama mecanización de residuos sólidos al proceso de fermentación anaeróbica de

los componentes orgánicos de los mismos. Dicha fermentación es producida por bacterias que

se desarrollan en ambientes carentes de oxígeno. Durante el proceso de transformación de la

materia orgánica (digestión) dichas bacterias producen un gas denominado por su origen

"biogás", el cual se compone fundamentalmente de metano (CH4) y de dióxido de carbono

(CO2). Los porcentajes de participación de estos gases son variables y dependen de las

condiciones físico-químicas en que se desarrolla la digestión de la materia prima. El metano se

puede utilizar en la producción de energía eléctrica y de energía térmica. La tecnología

anaerobia aplicada a la biometanización de los residuos sólidos urbanos es una tecnología

madura con posibilidad de ser aplicada a cualquier tipo de fracción orgánica

independientemente de su origen (forma de selección) o de su grado de humedad. La

biometanización se aplica generalmente seguida de un proceso de compostaje, dado que el

residuo una vez digerido, no posee las características idóneas para ser utilizado en agricultura.

Ilustración 20

métodos abiogénicos.

Casi todo el metano en la Tierra tiene un origen biológico, los científicos han comenzado

recientemente a apreciar los muchos medios abiogénicos en que el metano puede ser

generado. La precondición esencial para el metano abiogénico, según una cientifica llamada

Juske Horita de la División de Ciencias Químicas en el Laboratorio Oak Ridge en Tennessee, es

la presencia de hidrógeno molecular (H2) y anhídrido carbónico. La mayor parte del metano

abiogénico es generado por una reacción de “serpentinización”, que forma el mineral

serpentina. En las cadenas oceánicas, el agua calentada por el magma reacciona con rocas

como el olivino, que contiene elevados niveles de los catalizadores hierro y magnesio. Durante

la serpentinización, el hidrógeno liberado a partir del agua reacciona con el carbono del

anhídrido carbónico y forma el metano. La reacción genera calor y vastos depósitos de

serpentina en el fondo del océano. Hasta hace poco tiempo, se pensaba que las reacciones

abiogénicas de agua, minerales y anhídrido carbónico, incluyendo la serpentinización,

requerían agua a 200ºC. 9 Hay indicios de que reacciones similares productoras de metano

podrían tener lugar en condiciones más frías. Horita, por ejemplo, hace notar que la

serpentinización puede ocurrir en el agua a entre 50 y 70 grados C en Omán y las Filipinas. A

pesar de los descubrimientos de múltiples nuevos caminos de producción de metano

abiogénico, la mayor parte del metano en la Tierra es biogénico.

Fuente: http://casiupa2.webcindario.com/metano.pdf