1

XVIII Concurso Universitario Feria de las Ciencias

Química Área

Local

Categoría

Investigación Experimental Modalidad

Ventajas del biodiesel respecto a

otros combustibles Título del trabajo

0811249

Folio de Inscripción

falacias Pseudónimo de integrantes

2

Titulo

Ventajas del biodiesel respecto a otros combustibles

Resumen

En este trabajo se muestra como se produce biodiesel con diferentes tipos de

aceites vegetales, el uso que se le puede dar así como la comparación con otros

combustibles, e incluso la mezcla entre ambos.

El biodiesel es un biocombustible procedente de aceites líquidos que se obtiene a

partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso

previo, mediante procesos como la esterificación y la transesterificación,

El biodiesel tiene como ventaja sobre los combustibles fósiles que es una energía

renovable y limpia, ya que disminuye de forma notable las principales emisiones del

monóxido de carbono y los hidrocarburos volátiles, constituyendo así un elemento

importante para disminuir los gases invernadero.

En este trabajo, para obtener el biodiesel se montó un equipo de calentamiento a

reflujo, en un matraz bola de dos bocas se colocaron 260g de aceite, 75g de metanol, 2.6

de sosa, y se agitó y calentó por un tiempo de 130 min, después se separaron el glicerol

y el biodiesel obtenidos, el cual se almacenó para su análisis posterior.

Se realizó el proceso con 5 distintos tipos de aceites (canola, girasol, soya,

cártamo) y en diferentes condiciones (nuevos y utilizados), también fue comparado su

rendimiento con diferentes combustibles (diesel, gasolina, alcohol).

El biodiesel, aunque no tiene las mismas propiedades del diesel, es muy

semejante en rendimiento, tiene como ventajas una muy baja emisión de CO2, su

biodegradabilidad es mucho más rápida; y como desventajas, hay que modificar el

motor que lo emplee lo cual implica un costo a gran escala, lo más conveniente seria no

sustituir el diesel por el biodiesel, sino combinarlos para potenciar sus efectos.

3

Marco teórico

A inicios de 1990, la sociedad del mundo sufrió una transformación importante

respecto a sus opiniones de obtención de energía y su utilización, debido a la crisis

energética de los combustibles fósiles y el cambio de mentalidad sobre éstos, por lo que

a partir de ese momento se han buscado nuevos tipos de energía para complementar o

sustituir los combustibles fósiles, tales como la energía solar, eólica, mareomotriz, entre

otras, pero una de las energías que causa mayor controversia en la actualidad es la

bioenergía, la energía obtenida de la biomasa.1

La biomasa es el conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal,

animal o procedente de la transformación natural o artificial de la misma.

La biomasa se puede clasificar, según su origen, en cuatro tipos:

-Biomasa vegetal. Originada en ecosistemas naturales como materia orgánica formada

por un proceso biológico generador de moléculas de alto contenido energético. No es

una fuente de energía muy rentable ya que su uso a gran escala podría conllevar a la

destrucción de los ecosistemas que la producen.

-Biomasa residual. Es la que se genera como consecuencia de cualquier proceso en que

se consuma biomasa. Se produce en explotaciones agrícolas, forestales o ganaderas, así

como los residuos de origen orgánico generados en las industrias y en los núcleos

urbanos.

-Cultivos energéticos. Los cultivos energéticos, realizados con la finalidad de producir

biomasa transformable en biocombustibles (en lugar de producir alimentos) son ya

realidad en países como Brasil y Estados Unidos, que enfocan la producción de caña de

azúcar y maíz a la obtención de bioetanol.

-Excedentes agrícolas. Son los desechos agrícolas aprovechables para fabricar

biocombustibles líquidos, como el bioetanol, el alcohol etílico y el biodiesel. 1.- José A. Domínguez López, (2004), Energías alternativas. ---- John E. Smith, (2004), Biotecnología.

4

La biomasa puede proporcionar energías sustitutivas a los combustibles fósiles,

gracias a biocombustibles líquidos (como el biodiesel o el bioetanol), gaseosos (gas

metano) o sólidos (leña), pero todo depende de que no se emplee más biomasa que la

producción del ecosistema explotado, de que no se gaste una mayor cantidad de

recursos y dinero en la producción de éstos, y de que la utilidad energética sea la más

oportuna frente a diversos usos posibles.

Los biocombustibles más importantes en la actualidad son el etanol y el

biodiesel. El etanol puede ser utilizado en motores que utilizan gasolina, mientras que el

biodiesel puede ser utilizado en motores que utilizan diesel.

El etanol es un biocombustible hecho a base de alcohol, el cual se obtiene

directamente del azúcar. Ciertos cultivos permiten la extracción directa de azúcar, como

la caña azucarera (Brasil), la remolacha (Chile) o el maíz (Estados Unidos). Sin

embargo, prácticamente cualquier residuo vegetal puede ser transformado en azúcar, lo

que implica que otros cultivos también pueden ser utilizados para obtener alcohol.

Aunque con la tecnología disponible actualmente este último proceso es muy costoso,

se pronostica que ocurrirán avances en este ámbito.2

En el caso del biodiesel, se obtiene a partir de triglicéridos de glicerol (aceites o

grasas). Ciertas plantas como la soya o el girasol, son las que más eficientemente

producen aceites, que pueden ser utilizados como biocombustibles directamente, o

pueden ser procesados para obtener un biocombustible más refinado.

La utilización directa de aceites vegetales es posible, pero requiere de

modificaciones en un motor diesel, por lo que se procede a la transformación de los

aceites a biodiesel mediante un proceso químico, permitiendo la utilización del

biocombustible en un motor diesel sin modificarlo.

A esta transformación se le llama transesterificación, y consiste en combinar un

triglicérido de glicerol con un alcohol ligero, comúnmente metanol, que sustituirá el

glicerol del triglicérido, dando como resultado metóxido de sodio,

2.- José A. Domínguez López, (2004), Energías alternativas ---- Blanca Azcarate Luxan, Alfredo Mingorance

Jiménez, (2003), Energías e impacto ambiental

5

y glicerol como subproducto; para este proceso intervienen factores que aceleran la

reacción, que son el nivel de temperatura(a mayor temperatura más rápida la reacción),

la presión sobre el compuesto(a mayor presión más rápida la reacción) y el uso de un

catalizador, como por ejemplo la sosa cáustica, que debe estar a una agitación constante

para una veloz reacción química. No sólo el biodiesel tiene uso en ese proceso, sino

también el metóxido de sodio y el glicerol obtenidos se pueden usar para fabricar otros

compuestos, como resinas, explosivos, cosméticos, medicamentos, alcoholes y

alimentos.

En caso de que se haya usado sosa cáustica, se debe de lavar el biodiesel

formado hasta que llegue a un pH neutro, esto es porque la sosa cáustica reacciona con

los ácidos grasos del aceite formando un jabón, y también se retira una película

transparente que es también producto de la sosa con el aceite.3

En busca de encontrar el mejor aceite para un biodiesel, se tienen que elaborar

pruebas de medición de la efectividad de cada aceite, para esto se comparan las

propiedades físicas y químicas del diesel del petróleo, con diversos aceites como los

aceites de girasol y de colza, así como de los ésteres metílicos de dichos aceites

(biodiesel).

3.- ¿Cómo hacer biodiesel?, http://www.biodisol.com/

6

Se puede apreciar que las propiedades del éster metílico son mejores que las del

aceite directo de las plantas, en cuanto a favorecer la adecuada combustión y que se

pueden tener diferencias en las propiedades del biodiesel obtenido, dependiendo de las

materias primas utilizadas.

El número de cetano es un indicador de la habilidad de los combustibles para

autoencenderse, después de que han sido inyectados al motor diesel. El diesel que se

utiliza en las carreteras, requiere tener un número de cetano de 40 o mayor; pero debido

a que un número de cetano mayor se traduce también en costos mayores del

combustible; normalmente se mantiene entre 40 y 45.

El ligeramente mayor número de cetano del biodiesel (generalmente entre 46 y

60, dependiendo de la materia prima utilizada) puede reducir el retraso a la ignición.

Este factor junto con la menor volatilidad del biodiesel, contribuyen a mejorar las

características de la combustión (comienzo más gradual de la combustión), con relación

al diesel del petróleo.

En la siguiente tabla se comparan las propiedades físicas y químicas promedio

del biodiesel y del diesel del petróleo; indicándose las normas ASTM establecidas para

obtener una calidad uniforme de los combustibles.

7

Se observa que las propiedades de ambos combustibles no presentan grandes

diferencias; sin embargo, el biodiesel muestra las siguientes ventajas, con relación al

funcionamiento de los motores:

-Presenta mejor lubricidad, por lo que cuando el biocombustible esta en proporciones

menores al 20%(biodiesel combinado con diesel) constituye un aditivo lubricante del

combustible (menor fricción del motor), favoreciendo el funcionamiento del circuito

de alimentación y de la bomba de inyección.

-Prácticamente no tiene compuestos aromáticos, ni azufre.

-Contiene oxígeno que permite una adecuada combustión con menor relación de

aire/combustible.

-La temperatura de inflamación mayor reduce el peligro de incendios durante su manejo

y almacenamiento.

-La biodegradabilidad es una característica del biodiesel que incentiva su uso, desapareciendo

en menos de 21 días, con una degradación 4 veces más rápida que con el diesel del petróleo.

-No es soluble en agua; con una toxicidad inferior a la del diesel del petróleo.

8

Por otra parte, el uso del biodiesel presenta las siguientes desventajas:

-Tiene un menor poder calorífico, con un mayor consumo de combustible.

-Pérdida de un 5% de potencia.

-Presenta mayor viscosidad y densidad con posibles problemas de fluidez en climas

fríos, requiriendo anticongelantes especiales.

-Actúa como un aditivo detergente aflojando y disolviendo sedimentos en los tanques

de almacenaje; por lo que pueden obstruirse los inyectores tener depósitos en la cámara

de combustión, pistón y asiento de válvulas.

-Los ácidos grasos no saturados presentan inestabilidad (por lo que debe utilizarse

rápidamente), produciendo residuos durante las reacciones de oxidación que se

depositan en inyectores (obstrucción); combustión incompleta y por lo tanto, emisión de

contaminantes.

-Con combustión incompleta es disolvente del aceite lubricante y de refrigeración, lo

que implica mayor frecuencia de cambio de aceite; para evitarlo, es necesario conocer la

composición de los aceites a esterificar, utilizando variedades en las que la proporción

de insaturados no signifique un problema.

-Las temperaturas de inflamación del biodiesel son mayores, por lo que en lugares fríos

o durante el invierno, se pueden presentar problemas en el arranque si el biocombustible

esta a B100 (Biocombustible al 100%, no está combinado).

-Con el B100 se deben cambiar con mayor frecuencia los filtros de combustible (cada

130 hrs. en lugar de cada 200 hrs.).

-Deterioro rápido de los elementos de caucho, debe sustituirse por otro material (teflón

u otro).

-Es disolvente de pinturas, por lo que deben utilizarse a base de poliuretano.

9

-Modificaciones que se recomiendan en el motor para la utilización de biodiesel a

concentraciones mayores al 20%:

-Cambio del filtro de combustible después del primer tanque de biodiesel.

-Modificación del tiempo de inyección.4

Uno de los argumentos que se ofrecen para promover los biocombustibles es que

su impacto ambiental es muy reducido, pero esto no es del todo cierto. Para la

producción, almacenamiento y transporte de biocombustibles se requieren grandes

cantidades de recursos además de la tierra y el agua, recursos cuya producción y

transporte también demanda cantidades de energía. Se necesita energía para sembrar,

producir fertilizantes o pesticidas, cosechar, transportar y procesar los granos o plantas

hasta su forma final de biocombustible. Incluso se da el caso de que la energía utilizada

para la producción sea mayor a la generada por el biocombustible, el saldo energético es

negativo.

El aumento en la producción de biocombustibles genera elevadas demandas

sobre la base de los recursos naturales, con posibles consecuencias negativas, tanto

ambientales como sociales. Dado que los biocombustibles se producen a base de

alimentos o bien compiten por la tierra que puede ser utilizada para la producción de

alimentos, los impactos en los mercados de alimentos son directos. Un aumento en la

demanda de biocombustibles puede producir:

- Un aumento en el precio de los cultivos energéticos.

- Un aumento en el precio de otros cultivos.

- Un aumento en el precio de los productos que compiten por recursos con los

combustibles energéticos.

- Una reducción en el precio de los subproductos de la producción de biocombustibles

(por ejemplo glicerina).

10

Una forma de evitar estos problemas en la producción del biocombustible es

producir biocombustibles a partir de celulosa, algas y madera de desecho,

biocombustibles llamados de segunda generación porque no ocupan mucho espacio de

cultivo. Otra opción es usar plantas transgénicas para producir el biodiesel, pero esto

trae muchos conflictos ya que no se sabe a ciencia cierta los efectos de los transgénicos.

En caso de que no se pueda usar ninguno de estos métodos siempre se puede recurrir a

otros tipos de energía para disminuir el uso de combustibles fósiles.5

4.- Propiedades físicas y químicas del biodiesel vs diesel del petróleo, www.energiaadebate.com/ 5.- En México no se debe usar el maíz como biocombustible, afirman ONG, La jornada. ---- Biocombustibles, ¿Cómo ves? ---- Biocarburantes celulósicos, Investigación y ciencia

11

Problema El daño que producen los combustibles fósiles, ya que al quemarlos producen gases

nocivos a nuestro medio ambiente, que pueden provocar daños irreversibles como el

efecto invernadero.

Objetivos

• Obtener biodiesel de aceites vegetales

• Comprobar que tan eficaz son entre si los biodiesel de diferentes aceites

vegetales

• Comprobar la eficacia del biodiesel con respecto a otros combustibles (diesel,

gasolina y alcohol) ventajas y desventajas que tiene el biodiesel sobre estos

combustibles.

• Analizar la rentabilidad del biodiesel.

Hipótesis

Con el uso de biocombustibles disminuirán la producción de gases que afectan el medio

ambiente. Es rentable el biodiesel ya que su eficacia a comparación de los combustibles

fósiles es muy poca la diferencia y la producción de biodiesel con aceites vegetales

puede el aceite ser de rehusó y así reducir costos.

12

Desarrollo

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Para comenzar se necesitó montar un equipo para calentamiento a reflujo.

2. Se colocaron varias muestras:

• Aceite de canola y girasol (marca 1, 2, 3) 260.7 g, metanol 74.8 g, 2.7g de

NaOH, se calentó a 63°C durante una hora y media.

MATERIAL

• Parrilla de agitación y calentamiento • Matraz bola de dos bocas • Refrigerante con mangueras • Soportes con pinzas • Soportes con anillo de fierro • Anillo de fierro • Barra agitador magnético • Termómetros de laboratorio • Vasos de pp de 100ml, 250ml, 1L • Embudo de separación • Embudo de vidrio • Matraz Erlenmeyer de 150ml y 250 ml • Probetas • Vidrio de reloj • Cronometro • Balanza • Tapones de plástico y vidrio • Lámparas de alcohol • Bomba de agua • Papel para medir pH • Botellas de plástico • Calorímetro (lata de aluminio y vaso de unicel, ambos de 1L) • Un lápiz y un cúter • Encendedor

SUSTANCIAS

• Metanol • Hidróxido de sodio sólido • Disolución saturada de cloruro de

sodio • Aceite de soya marca Nutrioli • Aceite de soya marca Nutrioli

quemado con anterioridad • Aceite de canola y girasol marca

1, 2, 3 • Aceite de canola, soya, cártamo

marca Cristal • Aceite de canola marca Great

Value • Gasolina blanca • Diesel • Alcohol • Agua

13

• Aceite de soya (marca Nutrioli) 260.2 g, metanol 75 g, 2.6 g de NaOH, se

calentó a 66°C por una hora y media.

• Aceite de canola, soya, girasol y cártamo (marca Cristal) 260 g, metanol 76

g y 2.6 g de NaOH se calentó a 68°C durante hora y media.

• Aceite de soya (marca Nutrioli) 260 g, metanol 75 g, 2.5 g de NaOH, se

calentó a 65°C por una hora y media.

Ya agregadas todas las sustancias se introdujo una barra agitadora magnética. Se calentó

y agitó en la parrilla a una temperatura de 65°C la muestra se vigiló cuidando que no

sobrepasara los 70°C, en este periodo se realizaron observaciones y se registró la

temperatura que se iba presentando.

3. Transcurrido el lapso de tiempo la mezcla se retiró de la parrilla y se transfirió a un

embudo de separación para apartar la capa de glicerol, se lavó con agua hasta obtener un

pH neutro, después se guardó en una botella de plástico para su análisis posterior.

4. Para comprobar la eficacia del producto se construyó un calorímetro con una lata de

aluminio de 1L y un vaso de unicel de 1L, la lata de aluminio se colocó dentro del vaso

de unicel al cual se le hizo un orificio en la parte de abajo. En un soporte universal con

un anillo de fierro se colocó el calorímetro sujetado por el cuello de la tapa de la lata

con una varilla de vidrio.

14

5. Posteriormente se pesaron 60g de biodiesel, el cual se colocó dentro de una lámpara

de alcohol, por otra parte dentro del calorímetro se agregaron 200 mL de agua y un

termómetro para medir la temperatura.

6. Se encendió la mecha de la lámpara con el biodiesel y se tomó el tiempo con un

cronómetro, se combustionó por 20 minutos, se hicieron anotaciones acerca de la

temperatura que iba obteniendo el agua. También se realizó una comparación con otros

combustibles como gasolina, diesel y alcohol.

7. Al cabo de los 20 minutos se pesaron nuevamente las mezclas para saber cuanto se

gastó en el calentamiento del agua. Por ultimo, se determinó el punto de ebullición y la

densidad para comparar y comprobar el rendimiento de nuestro biodiesel en relación al

diesel, gasolina y alcohol.

15

Resultados

Tabla 2.1 Diferentes aceites y cantidades de sustancias que son agregadas para formar el biodiesel

CALENTAMIENTO A REFLUJO

Marca del aceite

Semilla del aceite

Cantidad de aceite

Metanol NaOH Observaciones

1, 2, 3 Canola y girasol

260.7 g 75.3 g 2.7 g Al pasar de los 60°C se vuelve volátil

Nutrioli Soya 260.6 g 75.2 g 2.8 g Tardó mas tiempo que las otras muestras en elevar su temperatura

Nutrioli (quemado)

Soya 260.3 g 75 g 2.6 g A pesar de filtrar el aceite para retirar deshechos, quedaron

muchos de ellos Great Value Canola 260.1 g 75.1 g 2.6 g No se formó capa de

glicerol para retirar Cristal Canola, soya,

girasol, cártamo

260.3 g 75.3 g 2.6 g En menor tiempo llegó a una temperatura alta

Figura 1.2 Disolución de biodiesel (girasol y soya) con glicerol bajo agitación y calentamiento

Figura 1.1 Aceite 1, 2, 3 y Nutrioli en una parrilla bajo agitación y calentamiento

16

Tabla 2.2 Productos obtenidos de la

reacción

BIODIESEL OBTENIDO

Aceite Mezcla de la reacción

Biodiesel Glicerol Biodiesel lavado

Canola y girasol 900 mL 230 g 37.4 g 177.6 g Soya 1 L 220 g 11.2 g 207.8 g

Soya (quemado) 934 mL 227 g 18 g 186.5 g Canola 883 mL 249.2 g 25.7 g 173.5 g

Canola, soya, girasol, cártamo

974 mL 240 g 24.6 g 210 g

Tabla 2.3 Datos obtenidos de la quema de los biodiesels aplicados al calorímetro

PRUEBA CON CALORIMETRO

Temperatura del agua Aceite Tiempo de combustión

Biodiesel Gastado

Calorías producidas

H2O en el calorímetro inicial Final

Canola y girasol 20 min 4.7g 10000 cal 200 mL 20°C 90°C Soya 20 min 6 g 15000 cal 200 mL 20°C 95°C

Soya (quemado) 20 min 6.3 g 14200 cal 200 mL 19°C 90°C Canola 20 min 5.3 g 14400 cal 200 mL 17°C 89°C

Canola, soya, girasol, cártamo

20 min 5.2 g 12800 cal 200 mL 20°C 84°C

Figura 1.4 Lavado de Biodiesel girasol/canola/soya/cártamo)

Figura 1.3 Separación del Glicerol y biodiesel (soya)

17

.

Tabla 2.4 Otros combustibles que fueron probados en el

calorímetro

COMPARACION DE COMBUSTIBLES

Temperatura del agua

Combustible Tiempo de combustión

Combustible gastado

inicial final

Calorías producidas

Diesel 20 min 8 g 20 °C 97°C 15400 cal

Gasolina Blanca

20 min 17.5 g 19°C 95°C 15200 cal

Alcohol 20 min 9 g 19°C 93°C 14200 cal

B20 20 min 7.6 g 19°C 85°C 13569.6 cal

Figura 1.5 Prueba de combustión al biodiesel (canola)

18

Análisis e interpretación de resultados

La pérdida que se obtuvo al lavar el biodiesel fue por causa de emulsiones que se

formaron de estos dos líquidos inmiscibles (biodiesel y agua), las cuales no pudieron ser

rotas.

Para obtener las calorías se utiliza la formula Q= M Cagua (T2 -T1) donde

M=masa del agua, C= calor especifico, T2= temperatura final del agua, T1=temperatura

inicial del agua y Q= calorías que produce el biodiesel.

Aunque el biodiesel tiene menor poder calórico que el diesel o la gasolina

blanca, su gasto es mucho menor, lo que reduce la producción de gases nocivos para el

medio ambiente y lo vuelve a largo plazo un combustible con mayores ventajas.

Además de que los productos obtenidos (glicerol y biodiesel) son utilizados en distintos

ámbitos.

Se puede demostrar que el biodiesel puede ser un biocombustible eficaz el cual

puede afectar con un menor impacto al medio ambiente que con los combustibles

fósiles, con una productividad y dejar claro que los biocombustibles si son los

combustibles del futuro pero actualmente también son de gran uso en nuestra actualidad

con combinaciones de diesel y biodiesel teniendo como ventaja el poder calorífico del

diesel y reduciendo los gases nocivos para el ambiente por parte del biodiesel

19

Conclusiones

• De los biodieseles el más eficaz es el biodiesel de aceite de soya en todos los

aspectos y el menos eficaz es el de girasol.

• No tiene las mismas características el diesel al biodiesel, pero es bastante

semejante el rendimiento y el poder calórico, con respecto a la gasolina el

biodiesel tiene un mayor rendimiento pero la gasolina se combustiona de una

manera mas brusca, al alcohol lo supera en todos los aspectos el biodiesel.

• El biodiesel necesita mucho espacio para su producción a gran escala, pero con

el transcurso del tiempo el biodiesel se volvería más rentable por el efecto

ambiental que este tiene, es una buena forma de sustituir los combustibles fósiles

ya que estos se terminaran en algún momento.

20

Referencias

Bibliografía:

Libro:

-José A. Domínguez López, (2004), Energías alternativas, páginas 11-17, 31-37, Madrid,

España, Editorial Equipo Sirius.

-John E. Smith, (2004), Biotecnología, páginas de prólogo, 95-110, España, Editorial

ACRIBIA.

-Blanca Azcarate Luxan, Alfredo Mingorance Jiménez, (2003), Energías e impacto ambiental,

páginas 9-21, 91-94, 107-244, España, Editorial Equipo Sirius.

Revista:

-George W. Huber y Bruce E. Dale, Biocarburantes celulósicos, Investigación y ciencia,

septiembre 2009, México, páginas 44-51.

-Wendy Espinoza de Aquino, Biocombustibles, ¿Cómo ves?, 2009, México, página 11-14.

Artículo periodístico:

-Patricia Muñoz Ríos, En México no se debe usar el maíz como biocombustible, afirman ONG,

La jornada, viernes 14 de septiembre de 2007, México, sección de Sociedad y justicia.

Páginas web:

Rocío Sarmiento Torres, Propiedades físicas y químicas del biodiesel vs diesel del petróleo,

www.energiaadebate.com/, 17 de Febrero del 2010. 20:32 hrs