Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Biodiesel
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From the course by Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
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Tecnologías sustentables
En este módulo estudiarás los fundamentos detrás de las tecnologías para la producción de energía nuclear y energías renovables no convencionales (ERNC). Podrás evaluar y comparar las fortalezas y debilidades de cada una de estas tecnologías en cuanto a su impacto ambiental y su potencial de generación eléctrica.
Meet the Instructors
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
Hola, soy Cesar Sáez y en esta sección revisaremos los principales elementos
relacionados con la producción de biodiesel.
El termino biodiesel se reserva para un conjunto de combustibles oxigenados
basados en esteres de fuentes biológicas renovables, la formula química general
de los ésteres es RCOR, donde R y R son radicales orgánicos que variaran según el tipo de
aceites o grasas empleados en su producción.
Los aceites y las grasas son las materias primas principales para la producción
de biodiesel, estos compuestos se conocen como triacilgliceroles y se encuentran
presentes en aceites y grasas, animales y vegetales.
La diferenciación entre un aceite y una grasa solo se refiere a su estado físico
en condiciones ambientales, de modo que no es una diferencia muy rigurosa,
los aceites son líquidos en condiciones ambientales y las grasas sólidas.
Las moléculas de triglicérido, están formada por tres ramas,
cada un constituida por un ácido graso particular, si el triglicérido pierde
una de esas cadenas se denominará Diglicéridos y si pierde dos Monoglicéridos,
la calidad del biodiesel estará dada entonces por las propiedades físicas
de los esteres metílicos formados, ya que la reacción para la producción de biodiesel
suele usar metanol como reactivo.
Los ácidos grasos libres también constituyen una de las materias primas para
la producción de biodiesel, su fórmula química corresponde a la de los ácidos
carboxílicos "R-COOH", si bien se conocen como ácidos grasos libres, están presentes
además en aceites comestibles sobre utilizados, esto es, mientras más sobre
sobre utilizado el aceite, por ejemplo, el aceite de consumo, más ácido grasos libres
se producen liberándose de la molécula de triglicéridos original del aceite
que se está empleando.
La producción de biodiesel, de ácidos grasos libres requiere de un proceso
de esterificación acida para evitar la producción de jabones,conocidos también
como sales orgánicas, proceso que se conoce como "saponificación".
La tabla siguiente muestra algunos ejemplos de la composición de
algunos ácidos grasos comunes presentes en aceites vegetales y grasas animales,
los dobles enlaces presentes en los aceites Oleico, Linoleico y Lunolénico,
explican la capacita antioxidante de los aceites que los contienen, formando
una suerte de fusible químico que reacciones con los radicales libres
presentes en el ambiente.
Es decir, el aceite se degrada o se rancifica, deteniendo la acción de los radicales
ibres responsables del estrés oxidativo en las células de diversos organismos que
que lo consumen, entre ellos por supuesto el ser humano, estos dobles enlaces también
son la causa del deterioro de algunos tipos de biodiesel producidos,
el proceso tradicional de producción de biodiesel a partir de triglicéridos
en la forma de aceites o de grasas, se denomina Transesterificación alcalina.
Ocurre en presencia de metanol o etanol como reactivo y emplean una base fuerte
como hidróxido de sodio como catalizador, este proceso puede llevarse a cabo cuando
el contenido de ácidos grasos libres en el aceite o en la grasa no supere
el 0.5% en peso, ya que de otra forma se producirá una cadena de reacciones químicas
que conducirán a la producción de jabones.
De la cuestión química presentada se observa que se requiere una relación molar
de uno a tres, respecto de triglicéridos a alcohol y se producen tres moléculas
de esteres o biodiesel por cada molécula de triglicérido que ha reaccionado.
R1, R2 y R3 tomaran forman químicas según sea el origen de los triglicéridos empleados,
en efecto R1, R2 y R3 pueden ser distintos entre sí y producirán moléculas
biodiesel que también podrán serlo, determinando sus características
y con ellos su calidad.
Si la concentración de ácidos grasos libres es muy elevada, su reacción con
el catalizador del proceso, en este caso ejemplificado por soda caustica,
conducirá a la producción de sales orgánicas o jabones, generando además agua
como proceso productivo.
Si la concentración de ácidos grasos libres es muy elevada, su reacción con
el catalizador del proceso, en este caso ejemplificado por soda caustica
conducirá a la producción de sales orgánicas o jabones,
generando además agua como producto.
El agua generada catalizara a su vez la transformación de los triglicéridos
en más jabones, generando una serie de reacciones químicas que hará que
los rendimientos de producción de biodiesel sean muy bajos o incluso inexistentes,
la forma de lidiar entonces con materias primas parcialmente degradadas
con presencia de ácidos grasos libres y agua es primero, realizar una esterificación
acida de los ácidos grasos libres transformándolos a éster y agua.
Luego retirar el agua y realizar una transesterificacion alcalina,
transformando los triglicéridos remanentes también en biodiesel,
el uso de catalizadores en fase liquida requerirá de la neutralización
del biodiesel generado, produciendo sales que deberá lavarse empleando agua,
finalmente el secado del producto resultará fundamental para su posterior
utilización como combustible.
En esta tabla pueden observar las diferencias entre los procesos ácido
y alcalino, en la práctica los tiempos de reacción pueden ser aún,
más extensos si el contacto entre los aceites y los reactivos no es
suficientemente elevado, pudiendo extender el proceso alcalino incluso por 12 horas,
el uso de catalizadores solidos o biocatalizadores inmovilizados,
además de ultrasonido para micromulsificar la mezcla,
incrementara con ello el contacto entre reactantes y el catalizador,
pudiendo reducir significativamente el tiempo de producción.
En vehículos de combustión interna, el biodiesel puede utilizarse en mezclas
de hasta un 20% en volumen, sin modificar el sistema de gestión de combustible
de los motores diésel, estas mezclas se denominan B-20 donde la "B" representa
la fracción de biodiesel en una mezcla con petróleo diésel,
su combustión reduce significativamente las emisiones tanto de gases
como de material particulado.
Incrementando solo la producción de óxido de nitrógeno, dado el incremento
en la temperatura de la cámara de combustión.
En motores de gran cilindrada como los empleados en el transporte de cargas
y de personas, el índice de opacidad se reduce significativamente,
,resultando una atractiva alternativa para liderar con urbes altamente contaminadas,
además el oxígeno de la molécula de biodiesel, permite aprovechar mejor la energía
del combustible diésel de la mezcla, mejorando su combustión.
En resumen, el biodiesel es un combustible oxigenado o un éster
producido a partir de aceites o grasas, vegetales o animales,
su producción dependerá del contenido de ácidos grasos libres, que posea la materia
prima a esterificar, si el contenido de estos ácidos carboxílicos es importante,
se deberá realizar un proceso de esterificación acida, en primer lugar;
eliminar el agua y seguir con un proceso de transesteficacion alcalina para finalizar.
La calidad de biodiesel dependerá de la composición de ácidos grasos de
los triglicéridos empleados como aceites y grasas,
pudiendo cumplir o no las normativas internacionales disponibles.
Su utilización suele realizarse en mezclas de hasta un 20% de biodiesel
con el petróleo diésel,
de modo de no alterar la mecánica del motor.
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