Área Ambiental

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Vol 12 Número 2 del 2021
DOI: https://doi.org/10.22490/21456453.3603

Análisis comparativo de emisiones de CO2 de un motor empleando diésel y biodiésel

Comparative analysis of CO2 emissions of an engine using diesel and biodiesel

1Carlos Alonso Ramírez-Velasco, 2Diego Javier Pérez Ortega, 3Ricardo Ignacio Pereira Martínez, 4Fabio Andrés Bolaños-Alomía

1 Magister en Ingeniería Ambiental Universidad Mariana Pasto.  Especialista en Finanzas Universidad del Valle Cali.  Ingeniero Industrial Universidad Nacional de Colombia Manizales. Profesor Investigador Universidad Cooperativa de Colombia - UCC Pasto.

2 Postdoctorado en Ciencias Ambientales UNESP-Sorocaba Brasil. Doctorado en Ingeniería Ambiental UNESP-Sorocaba Brasil. Maestría en Ingeniería Civil UNESP-Ilha Solteira Brasil. Ingeniero Agroforestal UDENAR. Docente investigador de la Universidad Cooperativa de Colombia UCC Pasto.

3Magister en Ingeniería Ambiental Universidad Mariana Pasto. Especialista en administración financiera Centro de estudios Superiores María Goretti CESMAG Pasto. Ingeniero Industrial Universidad Cooperativa de Colombia - UCC sede Pasto. Profesor Investigador UCC sede Pasto.

4 Doctorando en Docencia universitaria Universidad de Nariño. Magister en Docencia Universitaria Universidad de Nariño. Ingeniero Mecánico Universidad Tecnológica de Pereira. Decano facultad de Ingeniería UCC sede Pasto.

1carlos.ramirez@campusucc.edu.co, 2diego.perezortega@campusucc.edu.co, 3ricardo.pereira@ucc.edu.co, 4fabio.bolanos@ucc.edu.co

Citación: Ramírez-Velasco, C., Pérez, D., Pereira, R., y Bolaños-Alomía, F. (2021). Análisis comparativo de emisiones de CO2de un motor empleando diésel y biodiésel. Revista de Investigación Agraria y Ambiental, 12(2), 127 – 145. DOI: https://doi.org/10.22490/21456453.3603

RESUMEN

Contextualización: desde el protocolo de Kioto y la Cumbre de París, en el mundo, la reducción de gases de efecto invernadero causados por la actividad antrópica ha cobrado vital importancia, dados los indicadores críticos de emisión con efectos nocivos en el clima.

Vacío de investigación: considerando lo anterior, las investigaciones preliminares no logran llegar a un acuerdo sobre qué combustible genera menores emisiones de CO2: el diésel o el biodiésel.

Propósito del estudio: a fin de fundamentar información que permita proponer alternativas energéticas sustentables a partir de sustitutos de combustibles fósiles, fue necesario cuantificar y evaluar las emisiones de CO2proveniente de motores diésel. Para esto, se realizó este experimento, cuyo propósito es emplear diésel comercial B10 y biodiésel B100, y determinar sus emisiones de CO2; para ello se utilizó un motor de compresión de una planta eléctrica, con factores fijos como la cantidad de combustible por emplear, establecida en 100 gramos.

Metodología: el experimento se apoyó estadísticamente con un diseño factorial basado en dos factores: tipo de diésel con dos niveles y potencia generada con tres niveles, y se determinó el efecto conjunto que estos factores producen en la emisión de CO2. Para esto, el motor fue sometido a la generación de tres potencias: 0,5 kW-1,0 kW-1,5 kW; lo cual propició, para cada nivel de potencia, diferentes caudales o consumos de combustible y aire, y diferentes emisiones de CO2.

Resultados y conclusiones: los resultados indican que, empleando cualquier combustible, la relación aire/combustible es menor y la fracción molar de CO2es mayor cuando se genera más potencia. El experimento mostró que la fracción molar de B10 es mayor que la del B100: 0,15 y 0,13, respectivamente, con lo cual no puede generalizarse que la mayor emisión de CO2la propicie el diésel comercial, pues la mayor o menor emisión depende de la composición química del combustible.

Palabras clave: biodiésel, factor de emisión CO2, inventario de emisiones, gases de efecto invernadero.

SUMMARY

Contextualization: Since the Kyoto protocol and the Paris Summit, the reduction of greenhouse gases, caused by anthropic activity, has become critically important in the world, given the critical emission indicators with harmful effects on the climate.

Knowledge gap: Within this panorama, preliminary research does not agree on which fuel generates the lowest CO2emissions: diesel or biodiesel.

Purpose: Seeking to provide information to propose sustainable energy alternatives from substitutes for fossil fuels, it was necessary to quantify and evaluate CO2emissions from diesel engines, for which purpose, the experiment was carried out with the purpose of using commercial diesel B10 and biodiesel B100x, and determine their CO2emissions; for this a compression engine from a power plant was used, with fixed factors such as the amount of fuel to be used, established at 100 grams.

Methodology: The experiment was statistically supported by a factorial design based on two factors: type of diesel with two levels and power generated with three levels, and the joint effect that these factors produce on CO2emission was determined. For this, the motor was subjected to the execution of three jobs related to three generated powers: 0.5 kW-1.0k W-1.5 kW; which caused, for each power level, different flows or consumption of fuel and air, and different CO2emissions.

Results and conclusions: The results indicate that, using any fuel, the air/fuel ratio is lower and the molar fraction of CO2is higher when more power is generated. The experiment showed that the molar fraction of B10 is greater than that of B100: 0,15 and 0,13, respectively, so it cannot be generalized that the higher CO2emission is caused by commercial diesel. The greater or lesser emission depends on the chemical composition of the fuel.

Keywords: biodiesel; CO2emission factor; emission inventory; greenhouse gases.

RESUMEN GRAFICO

Resumen gráfico

1. INTRODUCCIÓN

Las partículas suspendidas en el aire son peligrosas para la salud. Las de diámetro inferior a 10 μm penetran en el sistema respiratorio y están relacionadas con el uso de combustibles fósiles; las de diámetro inferior a 2,5 μm penetran en el torrente sanguíneo (Lau, 2017).

Las reacciones químicas en la atmósfera generan N2O, CO2, SO2, NH3 y otros gases de efecto invernadero (GEI) (Brusca, 2016). Las emisiones de la combustión de diésel pueden causar cáncer y otras enfermedades, usando biodiésel B100 se elimina hasta el 90% de compuestos tóxicos presentes en el aire (Tyson, 2016).

Diversas investigaciones relacionadas con el cambio climático mencionan datos similares respecto a la concentración del dióxido de carbono en el aire. En el año 1950 la concentración de CO2se estimó en 275 ppm; en el 2000, en 365 ppm; y en el 2012, en 393 ppm (Castillo, 2005).

De acuerdo con el Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC), el punto crítico se encuentra en 450 ppm (Uptown, 2014). En los últimos 650.000 años, la carga de CO2nunca sobrepasó las 300 ppm, había oscilado entre 180 ppm, en periodos glaciares, y 290 ppm, en fases de calentamiento (Ramos, 2008).

Estos datos constituyen un llamado a minimizar los Gases Efecto Invernadero, razones que impulsan la necesidad de medir la emisión de CO2provenientes de actividades actuales respecto de alternativas energéticas medioambientales amigables y sustentables.

Adicionalmente, Colombia tendrá en el 2020 aproximadamente 3,5 millones de vehículos (Dinero, 2014). Hasta agosto del año 2017 tuvo un promedio de ventas mensuales de diésel de 127 mil Barriles Día Calendario (KBDC) (Ecopetrol, 2017).

Colombia proyecta emitir en el año 2020 cerca de 29 millones de toneladas de CO2provenientes del sector transporte, 33 millones de toneladas para 2024, 37 millones de toneladas para 2030 y 46 millones de toneladas de CO2para 2040 (Departamento Nacional de Planeacion - DNP, Banco Mundial, 2014)

Dentro de este panorama, se considera necesario cuantificar y evaluar las emisiones de CO2; para esto, se realizó el presente experimento en la ciudad de Pasto, Nariño, cuyos objetivos se centraron en medir el CO2emitido por la combustión del diésel comercial B10, empleado en el motor de una planta eléctrica; hacer lo mismo empleando biodiésel B100; analizar y comparar las emisiones de la combustión de los dos combustibles B10 y B100, para determinar cuál es menos contaminante.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Materiales: se seleccionó una planta eléctrica ajustada a la siguiente caracterización: referencia planta diésel GPMD marca Power, generación 2,5kW, con motor de compresión, fuerza 7HP, capacidad del tanque dos galones, velocidad fija para el experimento en 7.000 revoluciones/minuto, un solo eje, un cilindro, diámetro del cilindro 50 mm, carrera cilindro 100 mm y alimentación de combustible con inyección directa (Mantilla 2010).

Como equipo de medición de flujo másico del aire de admisión, se seleccionó un anemómetro de precisión con puerto de conexión PEC 007 con unidades de medida en m/s.

Se conectó una manguera flexible de igual diámetro del medidor del anemómetro al sistema de admisión de aire del motor (Figura 1), de esta manera se midió la cantidad de metros/segundo de aire que ingresa, los cuales fueron convertidos a kg de aire.

Figura 1

Figura 1. Motor con manguera de admisión de aire adaptada.
Fuente: Autores.

Se fijó un embudo a un soporte metálico, y al cuello del embudo se ensambló una manguera que conecta directamente con el sistema de admisión de combustible del motor (Figura 2). En el cuello del embudo se colocó una marca con cinta (Figura 3) para determinar el momento justo en el que se debía accionar un cronómetro digital, el cual contabilizó el tiempo de duración de cada combustible empleado. El cronómetro se accionaba al paso del combustible por la marca, en los momentos inicial y final del consumo, con el motor en funcionamiento.

Figura 2

Figura 2. Adaptación manguera de admisión de combustible.
Fuente: Autores.

Figura 3

Figura 3. Embudo para control de combustible.
Fuente: Autores.

Se instaló una balanza electrónica, digital, portátil, de batería, con unidad de medición en gramos, tres dígitos y dos decimales, marca Kenwell, referencia EK5055, en ella se pesaron 100 gramos de combustible en cada corrida del experimento.

Se empleó biodiésel B100 de una empresa fabricante autorizada, ubicada en Meta, Colombia. Se empleó diésel comercial B10 de una empresa mezcladora de Cundinamarca. Las empresas y sus productos cumplen con las normas de calidad Norma Técnica Colombiana - NTC ISO Internacionales 5444/2018 sobre especificaciones de biodiésel para uso en motores diésel (Icontec, 2018).

Las empresas mezcladora y fabricante, con cromatografía de gases, indicaron que cada mol de B10 contiene 53,54% C, 46,12% H y 0,34%; y cada mol de B100 contiene 32,84% C, 63,52% H y 3,64% O. Por razones de confidencialidad, no es posible revelar el nombre de estas entidades.

La demanda de 0,5 kW fue cubierta con cinco bombillos marca Sylvania de 100 W cada uno, conectados en paralelo (Figura 4).

De igual manera, para absorber la demanda de 1 kW, se puso en funcionamiento una resistencia de la estufa eléctrica marca Sonivox de referencia VS-ES991, y para absorber la demanda de 1,5Kw se pusieron en funcionamien juntos una resistencia de la estufa y los cinco bombillos, como indica la figura 4, correspondiente al experimento propuesto.

Figura 4

Figura 4. Experimento propuesto.
Fuente: Modificado UYUSTOOLS (2020), LINIO (2020), IMEDICIÓN (2020), MUNDO BÁSCULAS (2020), BIASE (2020), QUERCUSLAB (2020) y VINTEX (2020).

Se utilizaron datos de la humedad relativa RH%, presión atmosférica y temperatura de la ciudad de Pasto, proporcionados en tiempo real en su página web, por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM Colombia.

Métodos: se sometió una planta eléctrica de 2,5 kW al uso independiente de dos combustibles y a diferentes generaciones de potencia (Simmons, 2015). En cada tratamiento se efectuaron cuatro corridas. En estado de purga, se efectuó cada corrida con cada combustible, comenzando con 0,5kW y aumentando paulatinamente hasta 1,5kW, como se muestra en la Figura 5, que recrea el experimento propuesto.

Figura 5

Figura 5. Corrida con generación de 0,5 kW.
Fuente: Autores.

Se obtuvieron 24 observaciones de fracción molar, cada observación se multiplicó respectivamente, por la suma de los volúmenes del combustible y del aire de admisión, el resultado corresponde al CO2emitido en volumen.

Para lograrlo, se contabilizó el tiempo en el que se consumió el combustible. Este tiempo se multiplicó por el caudal de aire (m3/s), para determinar el volumen y la masa de aire mA real admitida en cada observación; además, se hicieron las conversiones de unidades necesarias. En cada observación, dada la escala de medición del anemómetro, el caudal se obtuvo de la velocidad promedio del aire que ingresó al motor (m/s) multiplicado por el área de la manguera de admisión de aire. La mA se requirió para desarrollar las fórmulas 4 y 6.

Posteriormente, se desarrolló la secuencia explicada en el cuadro 1.

Cuadro 1: Procedimiento analítico realizado.

 

Procedimiento analítico

 

Fórmula empleada

 

Interpretación

Datos obtenidos para desarrollar la fórmula

Dentro del experimento

Fuera del experimento

1. Cálculo de la presión parcial del vapor de agua: PH2O, requerido para fórmula 2.

Figura 1

Presión parcial del vapor de agua

Ninguno

Temperatura ambiente en oK.

 2. Cálculo de Fracción molar del agua en el aire: XH2O, requerido para fórmula 3.

Fórmula 2

Donde:
RH%: Humedad relativa.
Patm: Presión atmosférica.

Fracción molar del agua en el aire

Ninguno

RH%: Humedad relativa.
Patm: Presión atmosférica.

3. Cálculo del coeficiente estequiométrico del vapor de agua en aire admisión: n, requerido para fórmulas 5 y 7.

Fórmula 3

Donde:
4,773: es el 100% del contenido de aire compuesto por Nitrógeno (79%) y Oxígeno (21%).

coeficiente estequiométrico del vapor de agua en el aire de admisión

Ninguno

Fracción molar del agua en el aire: XH2o

4. Determinación de la relación real (aire/combustible)

Fórmula 4

Donde:
mA: masa del aire.
mF: masa del combustible.

Relación entre el aire y el combustible que ingresan al motor.

mA: masa del aire= volumen x densidad del aire.
mF: masa del combustible=100g.

Ninguno.

5. Determinación de la relación teórica (aire/combustible)

Fórmula 5
Donde:
MO2: Peso molecular Oxígeno.
MN2: Peso molecular Nitrógeno.
MH2O: Peso molecular vapor agua.
MC: Peso molecular Carbono.
MH: Peso molecular Hidrógeno.
MO: Peso molecular Oxígeno.
a: contenido de Carbono.
b: contenido de Hidrógeno.
c: contenido de Oxígeno.
n: coeficiente estequiométrico del vapor de agua en el aire.

Valor estequiométrico ideal, hay combustión completa, solo emite CO2y H2O en bajas cantidades.

Ninguno.

mA: peso molecular aire.
mF: Peso molecular combustible.

Cada mol de B10 contiene:
a=53,54% Carbono, b=46,12% Hidrógeno,
c=0,34% Oxígeno.
Cada mol de B100 contiene:
a=32,84% Carbono,
b=63,52% Hidrógeno c=3,64% Oxígeno.

6. Determinación de la relación relativa (aire/combustible)

Fórmula 6

λ≥1: combustión completa, situación ideal.
λ‹1: combustión incompleta, mayor emisión de gases efecto invernadero.

Relación real (aire/combustible)(mA/mF)real

Relación teórica (aire/combustible)(mA/mF)s

7. Determinación de la fracción molar de CO2o factor de emisión. También porcentaje, litros y kilos de CO2promedio, emitidos en cada observación.

Fórmula 7

Donde:
a: contenido de Carbono.
b: contenido de Hidrógeno.
c: contenido de Oxígeno.
n: coeficiente estequiométrico del vapor de agua en el aire.
λ: relación aire/combustible.

Porcentaje de CO2emitido, sobre el total de la mezcla admitida en el motor (litros de combustible + aire).

n: contenido de humedad de aire de admisión.
λ: relación aire/combustible.

a: contenido de Carbono.
b: contenido de Hidrógeno.
c: contenido de Oxígeno.

Fuente: adaptado de Fonseca (2012). Medición dinámica de emisiones. Fórmulas páginas 96 a 120.

En la Tabla 1 se muestra un ejemplo de los datos primitivos que arrojó el experimento, obtenidos durante la observación de la primera corrida con B10 y 0,5 kW, necesarios para el desarrollo del procedimiento indicado en el cuadro 1.

Tabla 1: Datos aleatorios de velocidad del aire de admisión para una observación.

PRIMERA CORRIDA

Datos velocidad del aire (m/s)

Fecha: 13 septiembre 2016. 2:00PM - 3:18PM

0,66

0,68

0,67

0,64

0,65

0,65

0,67

Combustible: Diésel comercial B10

0,64

0,64

0,64

0,68

0,63

0,65

0,64

Generación: 0,5 kW

0,65

0,66

0,67

0,64

0,67

0,66

0,64

Temperatura: 18,08 ˚C

0,67

0,65

0,66

0,64

0,63

0,66

0,66

Peso diésel: 100 g = 117,2058 ml

0,65

0,64

0,65

0,66

0,67

0,65

Humedad relativa: 0,57

0,66

0,65

0,66

0,64

0,65

0,64

Presión atmosférica: 820,86 hPa

0,64

0,64

0,63

0,65

0,65

0,64

Duración (minutos): 15'31''96'''

0,65

0,64

0,64

0,65

0,63

0,66

Promedio (m/s):

0,65

Fuente: Autores, observación de la primera corrida del experimento con B10 y 0,5 kW

Análisis estadístico

Como soporte estadístico a los resultados, se presentan las principales tablas que arroja el software Statgraphics, dentro del análisis ANOVA de efectos fijos para la fracción molar (Montgómery, 2004). Para verificar la normalidad de los datos de fracción molar se efectuó la prueba de Shapiro-Wilks donde se consideraron la hipótesis nula y alternativa como:

Ho: X~N(μ,σ2), la distribución es normal.
H1: X~N(μ,σ2), la distribución no es normal.

Se obtuvo un p > 0,05, por lo tanto, se aceptó la hipótesis nula Ho, comprobando que las muestras de fracción molar son normales, tanto con el uso de diésel como de biodiésel. Adicionalmente, de acuerdo con el test de Levene, se expusieron las siguientes hipótesis:

Ho: σ2B100 = σ2B10, varianzas iguales.
H1: σ2B100 ≠ σ2B10, varianzas diferentes.

Como se obtuvo un p > 0,05, se aceptó la hipótesis nula Ho, por lo tanto, se observó que las varianzas son iguales y existe el supuesto de homocedasticidad.

Comprobar estas pruebas permitió desarrollar el procedimiento para la diferenciación de medias.

En la Tabla 2, se muestran: la media de fracción molar de CO2para cada uno de los niveles de los factores; y los errores estándar de cada media, que son una medida de la variabilidad en el muestreo. Las dos columnas de la extrema derecha muestran intervalos de confianza del 95,0% para cada una de las medias. Esta tabla indica que la fracción molar es mayor con uso de B10 y generando mayor potencia (1,5 kW); además el error estadístico es menor analizando el B100 y la menor potencia 0,5 kW.

Tabla 2. Medias por mínimos Cuadrados para fracción molar CO2confianza del 95,0%.

Nivel

Casos

Media

Error
Estándar

Límite
Inferior

Límite
Superior

MEDIA GLOBAL

24

0,14699

 

 

 

Combustible

B10

12

0,155500

0,00128286

0,152805

0,158195

B100

12

0,138483

0,00128286

0,135788

0,141179

Potencia (kW)

0,5

8

0,113237

0,00157118

0,109937

0,116538

1

8

0,140700

0,00157118

0,137399

0,144001

1,5

8

0,187038

0,00157118

0,183737

0,190338

Combustible por Potencia (kW)

B10,0,5

4

0,119375

0,00222199

0,114707

0,124043

B10,1

4

0,147675

0,00222199

0,143007

0,152343

B10,1,5

4

0,199450

0,00222199

0,194782

0,204118

B100,0,5

4

0,107100

0,00222199

0,102432

0,111768

B100,1

4

0,133725

0,00222199

0,129057

0,138393

B100,1,5

4

0,174625

0,00222199

0,169957

0,179293

Fuente: Autores

Adicionalmente, la prueba de múltiples rangos para fracción molar de CO2por combustible indica diferencias significativas entre combustibles y entre potencias, como se muestra en las tablas 3 y 4. Con una confiabilidad del 95%, es significativamente mayor la fracción molar del biodiésel B10, respecto del diésel B100, puesto que no conforman grupos homogéneos.

Tabla 3. Método: 95,0% LSD para fracción molar CO2por combustible.

Combustible

Casos

Media LS

Sigma LS

Grupos Homogéneos

B100

12

0,138483

0,00128286

X

B10

12

0,155500

0,00128286

X

Fuente: Autores, resultados software Statgraphics

Tabla 4. Pruebas de múltiples rangos para fracción molar CO2por combustible.

Contraste

Sig.

Diferencia

+/- Límites

B10 - B100

*

0,0170167

0,00381159

* Indica diferencia significativa con 95% confiabilidad.
                            Fuente: Autores, resultados software Statgraphics

El análisis estadístico efectuado en el software Statgraphics, aplica un procedimiento de comparación múltiple para determinar cuáles medias son significativamente diferentes de otras.

Se han identificado tres grupos no homogéneos según la alineación de las X en columnas; existen diferencias estadísticamente significativas entre los niveles que no comparten una misma columna de X.

El método empleado actualmente para discriminar entre las medias es el procedimiento de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher (Fisher, 1935). Con este método hay un riesgo del 5,0% al afirmar que cada par de medias es significativamente diferente. Así, con una confiabilidad del 95% se asegura que la fracción molar es mayor al generar mayor potencia (tablas 5 y 6).

Tabla 5. Método: 95,0% LSD para Fracción molar CO2por Potencia (kW).

Potencia (kW)

Casos

Media LS

Sigma LS

Grupos Homogéneos

0,5

8

0,113237

0,00157118

X

1

8

0,140700

0,00157118

X

1,5

8

0,187038

0,00157118

X

Fuente: Autores, resultados software Statgraphics

Tabla 6. Pruebas de Múltiple Rangos para Fracción molar CO2por Potencia (kW).

Contraste

Sig.

Diferencia

+/- Límites

0,5 – 1

*

-0,0274625

0,00466823

0,5 - 1,5

*

-0,0738000

0,00466823

1 - 1,5

*

-0,0463375

0,00466823

* Indica una diferencia significativa, con 95% de confiabilidad.
Fuente: Autores, resultados software Statgraphics

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados

La Tabla 7, presenta datos atmosféricos y resultados para cada combinación: relación relativa aire/combustible λ, fracción molar, trabajo realizado, FE de CO2, y kg de CO2emitidos en ml, g y ppm. La dispersión por código de nivel permite confirmar la hipótesis: “el factor de emisión de CO2es menor usando B100 comparado con B10”.

También se observa que el factor de emisión de B10 obtenido en el experimento es diferente al factor de emisión propuesto por el grupo intergubernamental de expertos sobre cambio climático - IPCC, expresado en kg/TJ y equivalente al contenido de carbono multiplicado por 44/12 (Davies, et al , 2006), valor que se torna en una constante dentro de cada tratamiento: 1,96 para B10 y 1,31 para B100.
De acuerdo con los resultados de la relación aire/combustible λ, puede afirmarse que los dos combustibles tienen combustión completa con la generación de 1 kW o menos (tabla 7), lo que indica que, a mayor trabajo realizado, la combustión es cada vez más incompleta, y esto aporta al incremento porcentual de emisiones de CO2y otros gases.

También puede inferirse que, a medida que aumenta la demanda de potencia, incrementa el factor de emisión o fracción molar de CO2.

Tabla 7. Datos y resultados para relación relativa y fracción molar o FE calculado.

DIESEL COMERCIAL B10

PRIMERA CORRIDA

SEGUNDA CORRIDA

Promedios

Potencia (kW)

0,5

1

1,5

0,5

1

1,5

Temperatura (oC)

18,08

17,1

17,1

15,14

17,3

18,08

17,13

Duración (min)

15,53

12,89

9,6

15,67

12,7

9,79

12,69

Humedad relativa (%)

0,57

0,57

0,57

0,57

0,57

0,57

0,57

Presión (hPa)

820,86

820,86

820,86

820,86

820,86

820,86

820,86

Relación λ=

1,38

1,14

0,82

1,42

1,11

0,85

1,12

Fracción molar CO2=

0,12

0,15

0,2

0,12

0,15

0,19

0,15

Trabajo realizado (J)=

465.980

773.240

864.300

470.150

761.930

881.520

702.853

Factor emisión IPCC=

1,96

1,96

1,96

1,96

1,96

1,96

1,96

CO2emitido (g) IPCC=

0

0

0

0

0

0

0

Emisión CO2(ml)=

193,56

194,78

199,02

191,49

195,16

199,19

195,53

Emisión CO2(g)=

0,36

0,36

0,37

0,35

0,36

0,37

0,36

Emisión (mg CO2/gr diésel)=

3,57

3,59

3,67

3,53

3,59

3,67

3,60

Emisión (ppm)=

121.321

146.518

201.505

118.597

149.616

194.521

155.346

DIESEL COMERCIAL B10

TERCERA CORRIDA

CUARTA CORRIDA

Promedios

Potencia (kW)

0,5

1

1,5

0,5

1

1,5

Temperatura (oC)

16,6

16,91

15,53

21,43

20,25

20,05

18,46

Duración (min)

15,52

12,5

9,44

15,76

12,94

9,58

12,62

Humedad relativa (%)

0,88

0,88

0,88

0,88

0,88

0,88

0,88

Presión (hPa)

817,81

817,81

817,81

817,81

817,81

817,81

817,81

Relación λ=

1,42

1,11

0,82

1,39

1,15

0,82

1,11

Fracción molar CO2=

0,12

0,15

0,2

0,12

0,14

0,2

0,15

Trabajo realizado (J)=

465.480

750.170

849.465

472.865

776.430

862.005

696.069

Factor emisión IPCC=

1,96

1,96

1,96

1,96

1,96

1,96

1,960

CO2emitido (g) IPCC=

0

0

0

0

0

0

0

Emisión CO2(ml)=

192,15

194,94

198,06

195,3

196,31

200,62

196,23

Emisión CO2(g)=

0,35

0,36

0,36

0,36

0,36

0,37

0,36

Emisión (mg CO2/gr diésel)=

3,54

3,59

3,65

3,6

3,62

3,7

3,61

Emisión (ppm)=

117.799

150.225

201.376

119.816

144.368

200.433

155.669

BIODIÉSEL B100

PRIMERA CORRIDA

SEGUNDA CORRIDA

Promedios

Potencia (kW)

0,5

1

1,5

0,5

1

1,5

Temperatura (oC)

26,15

24,38

22,61

21,82

19,26

18,28

22,083

Duración (min)

15,1

12,19

8,77

15,2

11,83

9,01

12,02

Humedad relativa (%)

0,32

0,32

0,32

0,32

0,32

0,32

0,32

Presión (hPa)

818,49

818,49

818,49

818,49

818,49

818,49

818,49

Relación λ=

1,25

1

0,71

1,29

0,99

0,74

0,99

Fracción molar CO2=

0,11

0,14

0,19

0,11

0,14

0,18

0,15

Trabajo realizado (J)=

452.880

731.560

788.925

455.880

709.850

810.975

658.345

Factor emisión IPCC=

1,31

1,31

1,31

1,31

1,31

1,31

1,31

CO2emitido (g) IPCC=

0

0

0

0

0

0

0

Emisión CO2(ml)=

170,24

169,97

170,35

167,83

167,35

167,99

168,95

Emisión CO2(gr)=

0,31

0,31

0,31

0,31

0,31

0,31

0,31

Emisión (mg CO2/gr biodiésel) =

3,14

3,13

3,14

3,09

3,08

3,09

3,12

Emisión (ppm)

109.882

135.843

185.282

107.050

136.877

178.712

142.274

BIODIÉSEL B100

TERCERA CORRIDA

CUARTA CORRIDA

Promedios

Potencia (kW)

0,5

1

1,5

0,5

1

1,5

Temperatura (oC)

17,5

18,48

19,07

22,61

20,64

15,73

19,01

Duración (min)

15,09

12,36

9,51

15,46

12,43

9,64

12,42

Humedad relativa (%)

0,32

0,32

0,32

0,32

0,32

0,32

0,32

Presión (hPa)

818,49

818,49

818,49

818,49

818,49

818,49

818,49

Relación λ=

1,29

1,03

0,78

1,32

1,04

0,81

1,05

Fracción molar CO2=

0,11

0,13

0,17

0,1

0,13

0,16

0,13

Trabajo realizado (J)=

452.640

741.460

855.810

463.670

745.740

867.300

687.770

Factor emisión IPCC=

1,31

1,31

1,31

1,31

1,31

1,31

1,31

CO2emitido (g) IPCC=

0

0

0

0

0

0

0

Emisión CO2(ml)=

165,55

166,84

168,11

168,28

167,81

166,3

167,15

Emisión CO2(gr)=

0,3

0,31

0,31

0,31

0,31

0,31

0,31

Emisión (mg CO2/gr biodiésel) =

3,05

3,07

3,1

3,1

3,09

3,06

3,08

Emisión (ppm)

106.767

131.410

169.642

104.613

130.811

164.906

134.691
Fuente: Autores. Datos obtenidos del experimento y de cálculos de la presente investigación

Con respecto a la fracción Molar, en cada tratamiento se observa que, al generar mayor potencia, la fracción molar del CO2el cual tiende a es mayor (ver Figura 6).

Figura 6

Figura 6. Fracción molar con tres potencias generadas y dos combustibles empleados. Fuente: Autores. Nota: B100 representa el biodiésel 100% y B10 el diésel comercial.

También se observa que, en el caso de diésel comercial B10, la cuarta corrida generó más emisiones, no necesariamente por fatiga del motor, dado que en el caso de B100 la primera corrida generó mayor cantidad de CO2. Cabe aclarar que, al generar mayor potencia, hay mayor emisión de CO2revisando la (Figura 7), lo cual se explica porque, al generar más potencia, el motor consume mayor cantidad de diésel y, por consiguiente, emite mayor cantidad de CO2.

Con el uso de B100 se emitió mayor cantidad de CO2en la primera corrida de la mayor potencia generada. Con potencias de 0,5 kW y 1,0 kW, en la tercera corrida, se emitió menor cantidad de CO2(Figura 8). Esto indica que la leve diferencia de emisión entre corridas, en milésimas de gramo de CO2, puede deberse a variaciones imperceptibles en la preparación de cada corrida.

Figura 7

Figura 7. Comparación emisión de CO2entre corridas con B10.
Fuente: Autores, resultados del experimento obtenidos en Statgraphics.

Figura 8

Figura 8. Comparación de emisión de CO2entre corridas con B100.
Fuente: Autores. Resultados del experimento obtenidos en Statgraphics.

La Fracción molar explica el trabajo realizado en el 96% y 81%, Con B10 y B100, respectivamente (ver Figura 9).

Figura 9

Figura 9. Influencia del Trabajo realizado sobre la Fracción molar.
Fuente: Autores. Resultados del experimento obtenidos en Excel.

El FE de EPA-USA es de 1,15, multiplicado por lb de diésel empleado en cada HP-h (EPA, 2010). Así, al generar los siete caballos de fuerza del motor, durante 12,6 min promedio, con 100 g de diésel, se emiten 1,298 g de CO2: el triple del promedio de emisión obtenido, 0,361 g de CO2. Esta es la metodología con resultados más parecidos a los de este experimento.

Por otra parte, respecto al beneficio ambiental de B100 sobre B10, UpTown Oil de París, cree que sustituir diésel por B100 obtenido de aceite usado de cocina ACU, ahorra 80% emisiones de CO2(Uptown, 2014), al contrario, Ulusoy, como cita Enweremaduen, explica que incrementa en 2,6% (Enweremadu y Rutto, 2010).

El Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE), afirma que el B100 producido con soya emite 2.661 g CO2/gal y el diésel 12.360 g CO2/gal (DOE, 2014).

Dorado, et al (2003) explican que el B100 emite 8,6% menos de CO2. En Washington se observó que, en un motor a 3.000 rpm hubo una disminución de CO2del 10% usando B100 (Zafer et al., 2007), además la mayor concentración de CO2se presentó en la mezcla B50 en cualquier rpm (Chang & Chan, 2007). El presente experimento obtuvo un ahorro de entre 2% y 8% de emisiones CO2usando B100 a cambio de B10.

En producción, transporte y comercialización, B10 y B100, emiten similares cantidades de CO2; sin embargo, las plantaciones para obtener aceite como materia prima de B100 consumen cantidades considerables de CO2(Acosta, 2018).

Además de la reducción de hasta el 8% las emisiones de CO2en gases de escape, se reducen las emisiones de este gas en todo el proceso de obtención del B100.

Finalmente, acerca de la responsabilidad social, es necesario que las empresas de transporte con diésel sustituyan paulatinamente B10 por B100, debido al ahorro porcentual de emisión, en las condiciones actuales, aunque el consumo de B100 sea menor al generar el mismo trabajo, el costo de un galón de biodiésel es de pesos colombianos 11.515,16 mientras que el costo del B10 es de 8.388 pesos colombianos por galón (FEDEBIOCOMBUSTIBLES, 2020).

4. CONCLUSIONES

El IPCC debe incluir en su metodología el proceso analítico para la determinación del factor de emisión, dado que actualmente solo entrega valores preestablecidos para multiplicarlos por el consumo de combustible, lo cual no genera confiabilidad en la medición de emisiones de CO2.

CONTRIBUCIÓN DE LA AUTORÍA

Cada autor contribuyó de acuerdo con su asignación, así:
Primer autor: metodología, investigación, trabajo de campo, análisis de datos, conceptualización, escritura del borrador y original. Segundo autor: investigación, conceptualización, análisis de datos, revisión y edición. Tercer autor: metodología, investigación, trabajo de campo. Cuarto autor: adquisición de recursos, análisis de datos y revisión.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el aporte del proyecto “Aspectos de la medición dinámica instantánea de emisiones de motores”, cuya autora, propuso caminos para el diseño de la presente investigación, en la parte metodológica y conceptual (Fonseca, 2012). También se agradece el aporte académico y financiero de la Universidad Cooperativa de Colombia.

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