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Ali, M. y Jamshed-Rind, S. (2020). Rendimiento del motor y análisis de emisiones utilizando biodiésel de Neem y Jatropha. La Granja: Revista de Ciencias de la Vida. Vol. 32(2):19-29. http://doi.org/10.17163/lgr.n32.2020.02.
1. Introducción
El cambio climático y los problemas del calentamiento global son causados por las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) como el dióxido de carbono, el metano y el óxido nitroso en la atmósfera debido a las actividades inducidas por el ser humano por la quema de combustibles fósiles utilizados en el sector del transporte y la generación de energía (Climate Change Indicators, 2015). Los dos biocombustibles líquidos más comunes para el transporte (el bioetanol y el biodiésel) pueden sustituir a la gasolina derivada del petróleo y a los combustibles diésel, que producen emisiones de gases nocivos con impactos perjudiciales en el medio ambiente. El bioetanol y el biodiésel son combustibles alternativos producidos casi en su totalidad a partir de cultivos de semillas de aceite vegetal que tienen beneficios ambientales. La mayor diferencia entre los biocombustibles y las materias primas del petróleo es la concentración de contenido de oxígeno, que hace que los biocombustibles sean respetuosos con el medio ambiente, con una combustión completa que produce dióxido de carbono en lugar de monóxido de carbono, causando un impacto negativo en la salud de los seres humanos (Chauhan y Shukla, 2011).
El biodiésel, como combustible biodegradable y alternativo, tiene mayor importancia debido al agotamiento de las reservas de petróleo crudo y sus beneficios con el medio ambiente (Berchmans y Hirata, 2008). De hecho, el combustible biodiésel es una forma de combustible renovable que se puede obtener de varias reservas, incluidos los cultivos de semillas de aceites comestibles y no comestibles, aunque también se puede producir a partir de aceites no comestibles, por ejemplo, mahua, neem, karanja y Jatropha curcas para evitar problemas con los cultivos alimentarios comestibles (Masjuki y Kalam, 2013). El combustible biodiésel en el motor diésel no requiere modificaciones del motor, provee una reducción significativa de las emisiones de óxidos de azufre (SO x ), monóxido de carbono (CO) y partículas (PM) con otros beneficios como mayor punto de ignición y menor contenido aromático en los gases de escape, debido a la combustión completa del combustible (Ali y Shaikh, 2012).
En investigaciones previas, el éster metílico de Pongamia, Jatropha curcas y Neem se produjo por reacción de transesterificación en un estudio experimental llevado a cabo para probar las características de emisión de diferentes mezclas (B10, B20 y B40) en comparación con el diésel de petróleo. Las muestras de combustible mezclado mostraron menores emisiones de humo, óxido de carbono, monocarburos e hidrocarburos no quemados (HC) en comparación con el diésel de petróleo (Rao, Rao y Reddy, 2008). Otra investigación mostró que las emisiones de escape del biodiésel de neem B30 tenían menor opacidad de humo (5%) que el combustible diésel regular (55%) a potencia máxima de freno (5 kW). Del mismo modo, el monóxido de carbono (CO) es uno de los productos intermedios formados durante la reacción de la combustión de hidrocarburos en el cilindro del motor, y se observó que la cantidad de CO producido disminuye con el aumento de la carga en el motor para el diésel y varias mezclas de biodiésel de neem. Se observó que las emisiones de hidrocarburos no quemados (HC) aumentan en comparación con el incremento de la carga del motor para el diésel y las mezclas de biodiésel de neem, debido a un mayor consumo de combustible a altas cargas del motor, con una combustión incompleta. Sin embargo, se encontró que las emisiones de HC disminuyen con el aumento en el porcentaje de biodiésel en las mezclas, debido a la disponibilidad de más porcentaje de oxígeno que conduce a la combustión completa de combustibles (Mall, 2015).
La mayor parte de la producción de energía en Pakistán se satisface mediante la quema de combustibles derivados del petróleo crudo, que son recursos no renovables. Actualmente el país se enfrenta a un déficit de electricidad entre 6.000 y 7.000MW (Yuosafzai, 2018). La factura de importación de petróleo en Pakistán aumentó de 7.400 millones de dólares americanos en 2015-16 a 9.100 millones de dólares americanos en el año fiscal 2016-17, como resultado del aumento de los precios internacionales del crudo y el incremento de las importaciones de productos petrolíferos. Por lo tanto, se supone que la demanda de petróleo crudo tendrá una tendencia creciente en el futuro para la generación de energía y el sector del transporte en el país (Pervaz, 2018). Sin embargo, para el futuro sostenible a través de las energías renovables es necesario reducir la dependencia del petróleo crudo importado, estas medidas no sólo ayudarían a proteger valiosos intercambios extranjeros del país, sino que también ayudarían a mitigar el cambio climático y los problemas del calentamiento global (Ali, 2016). Además, la Junta de Desarrollo de Energía Alternativa de Pakistán (AEDB) tomó una iniciativa en el marco de su Programa Nacional de Biodiésel de minimizar la cantidad de consumo de diésel (10% del volumen) del consumo total de diésel para el año 2025 por medio de un combustible biodiésel alternativo (Ahmed et al., 2015).
El biodiésel es un combustible carbono neutro que no causa daños al medio ambiente, pues tiene pocas emisiones de gases tóxicos. La investigación llevada a cabo anteriormente tuvo un alcance limitado sobre los combustibles de biodiésel mezclados de Neem y Jatropha curcas en relación con el rendimiento del motor y las características de emisión. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue caracterizar el biodiésel producido a partir de aceites de Neem y Jatropha, seguido por el rendimiento del motor y las características de emisión de Neem y Jatropha curcas mezcladas con muestras de combustible biodiésel con el fin de cumplir con el objetivo AEDB de utilizar un 10% de biodiésel mezclado para el año 2025 en Pakistán.
2. Materiales y métodos
El aceite de semilla vegetal no comestible de Jatropha curcas se obtuvo del Centro de Investigación de Zonas Áridas del Consejo de Investigación Agrícola de Pakistán, Umerkot, mientras que el aceite de neem (Azadirachta indica) se extrajo con un expulsor mecánico de semillas de aceite disponibles localmente. Todos los experimentos se llevaron a cabo en el Departamento de Ingeniería Ambiental y el Departamento de Automoción e Ingeniería Marina, NED University of Engineering & Technology, Karachi, Pakistán. La temperatura y la humedad en el laboratorio se midieron como 28°C y 45% de humedad con (Termómetro Digital del Medidor de Humedad de Temperatura, China).
2.1 Prueba de ácidos
Para ambos aceites no comestibles, el contenido de ácidos grasos libres (FFA) % y la prueba de valor ácido se midieron siguiendo el método de valoración estándar (Método Oficial de la Sociedad Americana de Químicos del Aceite Ca 5a-40) mencionado en la literatura (Berchmans y Hirata, 2008). Según la documentación, si los aceites vegetales tienen un contenido de FFA superior al 1% en peso, producirá jabón y un bajo rendimiento del producto biodiésel. Por lo tanto, generalmente se adopta el proceso de dos pasos (es decir, esterificación ácida y transesterificación catalizada de base) para reducir el aceite FFA y producir biodiésel (Berchmans y Hirata, 2008).
2.2 Dos pasos (esterificación ácida y transesterificación catalizada de base)
El proceso de dos pasos, proceso de esterificación catalizada por ácido y seguido por el proceso de transesterificación catalizada de base se muestra en la literatura (Berchmans & Hirata, 2008). El primer paso se llevó a cabo con 0,60 p/p de metanol a las relaciones de aceite en presencia de 1% p/p H 2 SO 4 (BDH, Inglaterra) como catalizador ácido en reacción de 1 hora a 50 °C utilizando un calentador de placa caliente con agitador magnético que funciona a 400 rpm (Wise stir, MSH-20A, Daihan Scientific, Corea). Después de la reacción, la mezcla se detuvo durante 2 horas y la mezcla de agua de metanol recogida en la capa superior se eliminó con la ayuda de una pipeta. El segundo paso fue la transesterificación catalizada base utilizando metanol de 0,24 w/w (BDH, Inglaterra) al aceite y 1,4% w/w NaOH (Merck, Alemania) al aceite como catalizador alcalino para producir biodiésel a 65°C durante 2 horas de tiempo de reacción, utilizando un calentador magnético de placa caliente con agitador con una velocidad de mezcla de 400 rpm (Berchmans y Hirata, 2008). Las dos capas se formaron después de la reacción, es decir, el biodiésel (capa superior) y la glicerina (capa inferior) se separaron usando un embudo separador (1L). La fase de biodiésel y la fase de glicerina se lavaron con un 10 % de volumen en agua destilada caliente a 70°C y luego se secaron en un horno convencional (YCO-N01, Gemany Industrial Corp., Taiwán) durante 1 hora a 80 °C (Ali, Naqvi y Watson, 2018). La cantidad de biodiésel y glicerina producida después de la separación y el secado se recogieron en un vaso de precipitados (50 ml) y la cantidad se midió en gramos con la ayuda de un peso (AB 304-S, Mettler Tolendo, Suiza).
2.3 Propiedades fisicoquímicas del biodiésel producido
Las siguientes propiedades fisicoquímicas del biodiésel producido y los resultados se presentan como media ± desviación estándar, para el tamaño de la muestra (n=3);
2.3.1 Densidad:
La densidad del aceite extraído y el biodiésel producido se midieron en g/mL con un densímetro (DA-130N, Kyoto Electronics Manufacturing Co. Ltd, Japan).
2.3.2 Viscosidad cinemática:
La viscosidad cinemática en mm2/seg de los aceites vegetales (aceites Jatropha curcas y Neem) y sus muestras de biodiésel se midieron utilizando un viscosímetro cinemático/dinámico (VDM-300, AS Lemis, UE).
2.4 El contenido de ésteres metílicos (ácido oleico)
La composición de ácido oleico en las muestras de aceite de Jatropha y Neem se determinaron utilizando GC-FID (GC-2014, Shimadzu, Japón) equipado con un detector de ionización de llama en el Instituto de Ingeniería Química y Tecnología, Universidad del Punjab, Lahore.
2.5 Biodiésel –relaciones de mezcla de diésel
Las muestras de combustible (1 L =1000 ml) se prepararon mezclando el biodiésel producido con el diésel convencional adquirido de la estación de combustible operada por la empresa de Pakistan State Oil (PSO) en las siguientes proporciones, como se muestra en la Tabla 1 y según el requisito de AEDB para mezclar el diésel convencional con el 10% de combustible de biodiésel.
2.6 Protocolo de pruebas de emisiones y rendimiento del motor
Las características de emisión de las muestras de combustible preparadas se midieron con el funcionamiento de un motor diésel con las especificaciones mencionadas en la Tabla 2, a una velocidad constante de 1000 rpm en el Departamento de Automoción e Ingeniería Marina de la Universidad NED. La medición de la concentración de emisiones de gases de dióxido de carbono (CO 2 ), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOX), dióxido de azufre (SO 2 ) y contenido de oxígeno (O 2 ) se hizo utilizando el analizador de gases de combustión (340, Testo Instruments Ltd, Alemania). Los resultados de la emisión de gases se presentan como (media ± desviación estándar) para el tamaño de la muestra n=3.
El rendimiento del motor se midió para el combustible 100% diésel, biodiésel NB10 neem, biodiésel JB10 Jatropha y biodiésel NJB10 (mezcla de neem y Jatropha). El rendimiento del motor se estudió a una velocidad constante de 1000 rpm siguiendo los procedimientos mencionados en la literatura (Jorge, Mohon y Wang, 2018). Después de que el motor alcanzara su condición de trabajo estabilizada, el par de carga de retención externo (10%) se equipó con un dinamómetro de freno de agua conectado con un controlador instalado en la liberación de carga de agua para controlar la carga del motor. La potencia de freno del motor se calculó utilizando la Ecuación 1.
3. Resultados y discusión
3.1 Rendimiento del biodiésel y glicerol
La cantidad medida de biodiésel y glicerol producido a partir del aceite de Jatropha curcas fue de 90% (36,28 g/ 40 g de aceite) y 11% (4,36 g / 40 aceite), respectivamente. Mientras que la cantidad de biodiésel y glicerol producido a partir del aceite de Neem fue de 68% (27,49 g/ 40 g de aceite) y 30% (12,50 g / 40 aceite), respectivamente.
3.2 Propiedades físicas y químicas del combustible
Las propiedades del biodiésel de Jatropha curcas y Neem se determinaron siguiendo las normas y procedimientos ASTM que se presentan en la Tabla 3 y luego se compararon con la norma internacional de biodiésel (ASTM D 6751). Se observó que la viscosidad cinemática del biodiésel de Neem estuvo más baja, es decir, 2,91 mm2/seg en comparación con el biodiésel de Jatropha curcas 4,18 mm2/seg. La viscosidad cinemática reducida es buena en términos de calidad del combustible biodiésel, pero el rendimiento del biodiésel de Neem fue un 24,33%, menor en comparación con el rendimiento del biodiésel de Jatropha.
3.3 Resultados del contenido de oleato de metilo
La concentración de oleato de metilo en % en peso se midió con el análisis GC-MS, y los resultados mostraron la concentración de oleato de metilo en el aceite de Jatropha curcas (41,12% wt) y el aceite de Neem (50,77% wt), respectivamente. Los resultados mostraron que el aceite de Neem tiene un valor comparable al aceite de Jatropha, con una propiedad más favorable con un tiempo de almacenamiento de biodiésel más largo, con una buena estabilidad a la oxidación y una disminución del punto de tapón del filtro frío durante los inviernos, manteniendo el biodiésel en fase líquida para una adecuada atomización. De igual forma, se recomienda en el futuro medir el perfil completo de ácidos grasos libres de ambas muestras de aceite vegetal.
3.4 Resultados de las pruebas de emisiones del motor
Se trazó el perfil de emisiones de gases de diferentes mezclas de combustible biodiésel para comparar la diferencia entre sus características de emisión. La Figura 1 muestra el porcentaje de contenido de oxígeno presente en las emisiones de gases de escape y se observó que el diésel mineral (17,12 ± 0,05%) presenta más contenido de oxígeno en comparación con las muestras de combustible mezclado con biodiésel. La posible razón podría ser debido a la alta temperatura y al alto contenido de oxígeno presente en el combustible biodiésel, y que el exceso de oxígeno presente en el biodiésel se utilizó en la producción de óxidos de nitrógeno (NO x ). Generalmente el exceso de oxígeno no reacciona con nitrógeno en el cilindro del motor, pero reacciona con nitrógeno atmosférico a altas temperaturas de escape (Kumar, Kaviti y Darum, 2017).
Del mismo modo, el perfil de temperatura de escape del gas de combustión del motor diésel que funciona en diferentes mezclas de combustible (Figura 2) mostró que se obtuvieron temperaturas más altas a partir de la combustión del combustible de la mezcla de biodiésel en comparación con el combustible diésel. Esto se debe a la presencia de propiedades oxigenadas del biodiésel con la combustión completa, lo que resulta en temperaturas de escape más altas (es decir, 14% y 8,75% de combustibles de biodiésel mezclados de neem y jatropoha superiores al diésel mineral). Un estudio previo sobre biodiésel de palma mostró una temperatura de gases de escape 5,6% mayor que el diésel de petróleo. La mejor característica de combustión del biodiésel con mayor temperatura del cilindro se debe al efecto del exceso del contenido de oxígeno presente en su composición (Arunkumar et al., 2018).
La Figura 3 muestra la emisión de monóxido de carbono (CO) de diferentes muestras de combustible, mostrando menos emisiones de CO de combustibles mezclados con biodiésel (tales como NB10= 94 ± 2.15, JB10= 100 ± 2.44 and NJB10=121 ± 3.65 ppm) en comparación con el diésel mineral (135 ± 2,18 ppm). De acuerdo a lo observado en la literatura, la razón principal de las mayores emisiones de CO de la combustión de diésel mineral se debe a su combustión incompleta (Kumar, Kaviti y Darum, 2017). Por lo tanto, la presencia de un mayor porcentaje de oxígeno en el biodiésel conduce a un proceso de combustión más completo, lo que resulta en menores emisiones de CO (Dincer, 2008).
Los resultados actuales de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) se encontraron más altos en las muestras de combustible mezclado con biodiésel en comparación con el combustible diésel mineral (Figura 4). El biodiésel de Neem NB10 mostró mayores emisiones de CO2 en contraste con el biodiésel JB10 de Jatropha. Las emisiones de CO se redujeron para la mezcla de biodiésel de Neem (NB10) en un volumen del 30,37 % en comparación con el diésel mineral. El valor de emisión de CO se encontró cerca con una reducción media para Neem B10 en un volumen del 26%, como se menciona en la literatura (Kumar, Kaviti y Darum, 2017).
La Figura 5 muestra las emisiones de dióxido de nitrógeno (NO x ) de la combustión de diferentes muestras de combustible mezclado. Se observó que las emisiones de NOx fueron mayores con respecto a las muestras de combustible mezclado con biodiésel, en comparación con el diésel mineral (es decir, 37,5% de NB10 y 28,57% de JB10, respectivamente). También en otras investigaciones se observó un aumento del 20% en las emisiones de NO x de neem B10 en comparación con el combustible diésel (Kumar, Kaviti y Darum, 2017). La temperatura más alta es el resultado de la combustión de biodiésel, que produce NO x con una reacción entre el exceso de contenido de oxígeno presente en las emisiones de combustible mezclado con biodiésel y nitrógeno atmosférico. Las emisiones de dióxido de azufre (SO x ) se presentan en la Figura 6, y los resultados mostraron una reducción de las emisiones de SO x en más del 38,46% de NB10 y del 34,61% de JB10, respectivamente, en comparación con el diésel mineral. Resulta ventajoso utilizar combustible mezclado con biodiésel con bajo contenido de azufre para reducir la contaminación del aire que conlleva al calentamiento global y los problemas de lluvia ácida.
3.5 Mediciones de potencia del motor y freno
La variación de la potencia del freno en las diferentes muestras de combustible mezclado (diésel mineral, NB10, JB10 y NJB10) a una velocidad constante del motor de 1000 rpm se presenta en la Tabla 4. Los resultados mostraron menor potencia generada a partir del combustible biodiésel mezclado en comparación con el diésel de petróleo debido a su menor valor calorífico (38 a 39 MJ/kg) y en comparación con el diésel mineral (42MJ/kg), información que también se menciona en la literatura (Chakrabarti y Ali, 2008). Además, se observó que la carga del motor y la potencia generadas por el biodiésel Neem NB10 fueron mayores en comparación con el biodiésel JB10 de Jatropha, debido al mayor valor calorífico del biodiésel de Neem (39,67 MJ/kg) en contraste con el biodiésel de Jatropha (38,96 MJ/kg). La combustión del diésel mineral produjo una carga más alta durante las pruebas del motor en comparación con las diferentes mezclas de biodiésel, debido a su mayor valor calorífico (42 MJ/kg) (Chakrabarti y Ali, 2008). Los resultados indicaron que el B10 tiene un rendimiento más cercano del motor al diésel mineral debido a su viscosidad cinemática en comparación con el diésel mineral (Chakrabarti y Ali, 2009). La potencia generada por el biodiésel de Neem NB10, Jatropha JB10 y el biodiésel mixto Neem / Jatropha NJB 10 fueron de 7,7%, un 16,4% y un 12%, respectivamente, menor que el diésel mineral.
3.6 Estimación de la producción de biodiésel para cumplir con los requisitos locales
Las semillas de Neem (Azadirachta indica) contienen aproximadamente un 20-35% de contenido de aceite por peso y producen unos 2670 kg de aceite/hectárea (Aransiola et al., 2019). Según la literatura, Pakistán consta de tierras áridas/ semiáridas y marginales de aproximadamente 350.000 acres (141640 hectáreas) que pueden utilizarse para sembrar cultivos no comestibles para la producción de biodiésel (Ali, 2016). La Tabla 5, muestra que la producción de aceite de Neem en el país es de 378178,8 kg al año (es decir, 0,3781 millones de toneladas) obtenida, multiplicando los 2670 kg de petróleo/hectárea con la superficie marginal de tierra de 350.000 hectáreas. Se supone que el 90% en peso del aceite de neem producido al año se convierte en biodiésel, representando 0,3402 millones de toneladas, mientras que el 10% en peso se convierte en subproductos de glicerina (es decir, 0,0378 millones de toneladas). Además, según la literatura (Qamar et al., 2020) Pakistán tiene una capacidad de producir 468.842 toneladas (0,4688 millones de toneladas) de biodiésel anualmente utilizando aceite de cocina residual (ACR).
La demanda total de diésel de alta velocidad en el país por año es de 6.674 millones de toneladas (Dawn, 2019) y si se utiliza biodiésel mezclado (B10) en el país, la cantidad requerida será de 0,6764 millones de toneladas al año para cumplir con el requisito AEDB de utilizar biodiésel mezclado B10. Para satisfacer la cantidad requerida de biodiésel, la diferencia entre la columna (2) menos las cantidades estimadas de biodiésel de Neem (columna 4) y el biodiésel de aceite de cocina residual (columna 5) da una cantidad mayor de producción de biodiésel (0,1326 millones de toneladas) en el país al año, sin competir con los cultivos comestibles de aceite.
4 Conclusiones
Los aceites de semillas vegetales de Jatropha y Neem se pueden convertir en biodiésel y biodiésel mezclado (B10), y pueden utilizarse como combustible alternativo en motores diésel para cumplir con el objetivo fijado por la Junta de Desarrollo de Energía Alternativa. La emisión de monóxido de carbono (CO) de diferentes muestras de combustible mostró menos emisiones de CO de combustibles mezclados con biodiésel.
La cantidad de concentración de CO2 mostró una tendencia creciente en las emisiones de escape con respecto al aumento de la cantidad de biodiésel en la mezcla de combustible, convirtiendo más CO en CO2. Las emisiones de NO x fueron más altas con una relación creciente de combustible biodiésel con el diésel mineral. Los resultados indicaron que B10 tiene un rendimiento más cercano del motor con el diésel mineral, esto se debe principalmente a su viscosidad cinemática comparable. Se observó menos potencia del motor generada por el biodiésel Neem NB10, Jatropha JB10 y el biodiésel mixto Neem/Jatropha NJB10, es decir, el 7,7 %, el 16,4% y el 12%, respectivamente, en comparación con el diésel mineral.
La producción estimada de biodiésel en el país a partir de los cultivos de aceite de Neem y el aceite de cocina residual se encuentra produciendo una cantidad excedente de biodiésel (0,1326 millones de toneladas al año) para satisfacer la demanda local de utilizar combustible B10 en el futuro.
