Estudio comparativo de la huella de carbono de motores de encendido provocado alimentados con gasolina y bioetanol

摘要

Este trabajo fin de grado ha surgido como una idea propuesta por el director de Insia (Centro Superior de Investigación del Automóvil de la Comunidad de Madrid) de cara a la aplicación a la Fórmula SAE. Se trata de una competición donde jóvenes ingenieros de varias escuelas de la Universidad Politécnica de Madrid se deben implicar en el diseño, construcción y puesta a punto de un vehículo tipo fórmula. El ámbito de esta competición se extiende desde la evaluación del diseño, habilidades de marketing, costes y rendimiento ante varios ensayos dinámicos hasta la realización de una carrera de 22km, en un circuito de máxima exigencia. udActualmente, el vehículo que hay disponible para competir funciona con gasolina convencional. Dado el creciente uso de los combustibles de origen biológico, surgió la idea de ver qué pasaría si el motor en vez de usar dicho combustible, utilizara etanol en distintas proporciones mezclado con gasolina. De ahí proviene este trabajo, el cual ha consistido, como su propio nombre indica, en un estudio comparativo de la huella de carbono de motores de encendido provocado que trabajen con gasolina y distintas mezclas de gasolina-etanol. udLa forma de evaluar la huella de carbono hoy en día se realiza en centros de homologación de emisiones de gases contaminantes. En España existen dos, uno situado en Madrid y el otro en Tarragona. Se trata de un proceso complejo que requiere un control muy preciso tanto del vehículo como de la instalación. Este vehículo, como es obvio, no puede someterse a este control, puesto que los costes serían muy elevados y este vehículo no tiene uso más allá del ámbito de la competición. Por tanto, la medición de la huella de carbono se debe realizar de forma teórica ya que de forma experimental es inviable. udEl estudio se ha basado en la comparación de las emisiones de CO2 y de energía requerida en cada proceso del ciclo de vida del motor para los combustibles siguientes: gasolina, E10 (10% de etanol y 90% de gasolina), E20 (20% de etanol y 80% de gasolina) y E85 (85% de etanol y 15% de gasolina). Hay que tener en cuenta que se han usado únicamente los datos del motor y no del vehículo completo, por lo que las emisiones calculadas serán sólo las de éste. udPara esta labor se ha usado el software GaBi4, con licencia disponible en Insia, lugar donde se ha llevado a cabo este trabajo. Este software es el referente internacional en Análisis de Ciclo de Vida, una herramienta que contiene todos los elementos necesarios para modelar productos y sistemas desde una perspectiva de ciclo de vida. udGaBi4 se basa en una relación de subprocesos dentro de una sencilla interfaz gráfica, basados en las entradas y salidas de los mismos, es decir, las salidas de un proceso anterior deben ser las entradas del proceso siguiente. Además, este programa cuenta con una extensa base de datos ambientales sobre la fabricación de materiales, producción y uso de combustibles y electricidades, tratamiento de residuos, etc., que ayudan a cubrir una alta gama de necesidades.udEl Análisis del Ciclo de Vida analiza el ciclo completo del producto, proceso o actividad, teniendo en cuenta desde la etapa de extracción y procesado de materias primeras, pasando por la producción, transporte y distribución, el uso, el mantenimiento, la reutilización, el reciclado y la disposición en vertedero al final de su vida útil.udA continuación se van a explicar cada uno de estos procesos más detalladamente, con las consideraciones tenidas en cuenta y el desarrollo de cada uno de ellos: udExtracción y procesado de los materiales udEsta etapa comprende desde la extracción de los materiales primarios hasta su procesado en planta, sabiendo que la localización geográfica de estos procesos puede no ser cercana. Como normalmente las formas de energía más utilizadas son la térmica y la eléctrica, también se tiene en cuenta la producción de ambas, con los rendimientos correspondientes. udSe ha realizado una clasificación simplificada de los materiales utilizados en un motor de combustión interna alternativo, así como la fracción en peso presente en el mismo. Para ello se ha pesado en el laboratorio componente a componente del motor y se han obtenido los materiales aproximadamente de los cuales están fabricados. udAdemás, dado que el etanol no es compatible con todos los materiales, como el aluminio o la goma, por corrosión cuándo éste se encuentra en proporciones altas (E85), para éste combustible ha sido necesario cambiar dichos materiales por acero inoxidable y polipropileno, respectivamente. De esta forma, la masa del motor aumenta a más del doble, debido a la alta densidad del acero inoxidable respecto a la del aluminio. Cabe destacar también que no se consideran recursos auxiliares.udFabricación y ensamblaje del motor: udSe supone que esta etapa comprende desde el transporte de los materiales a las plantas de producción hasta que el motor llega al concesionario, pasando por todos los procesos de fabricación de piezas, montaje de esas piezas en componentes y montaje de esos componentes en el motor. Al igual que en la etapa anterior, se tiene en cuenta la producción de electricidad y energía térmica. Por otro lado, no se tendrá en cuenta la fabricación de las máquinas necesarias ni de la planta. udEl modelo matemático empleado en esta parte consiste en una relación lineal entre la energía de fabricación y el peso del vehículo, aunque en este caso consideraremos el peso del motor a estudiar. Además, de la energía resultante se considera que la mitad proviene de energía térmica y la otra mitad de energía eléctrica. Por tanto, como para todos los combustibles excepto para que el que presenta un mayor porcentaje de etanol la masa del vehículo es la misma. udExtracción, procesado y transporte de los combustibles udEn esta etapa se contabiliza la energía requerida y las emisiones de CO2 producidas en toda la fase de producción de los combustibles empleados (gasolina y etanol), desde su extracción de la naturaleza hasta la llegada a las estaciones de repostaje, pasando por todas las etapas correspondientes. udPara el caso de la gasolina, se tiene que a lo largo de todo su periodo de producción se consume una energía de 0,1354 MJ/MJcomb y se producen unas emisiones de 10,961 gCO2eq/MJcomb. Para el etanol, en cambio, se tiene que se consume una energía de 2,78 MJ/MJcomb y se producen unas emisiones de -55,7 gCO2eq/MJcomb. Este último dato es negativo porque el etanol, al ser un biocombustible, durante la fase de crecimiento de la planta se consume más CO2 que lo que se produce posteriormente durante su tratado. udPor tanto, a mayor proporción en el combustible de etanol respecto de gasolina, más energía requerida y menos emisiones de gases contaminantes. udUso del motor:udAl igual que en el apartado anterior, en esta etapa se contabiliza la energía consumida y las emisiones de CO2 emitidas durante toda la fase de uso del motor, con el correspondiente consumo de combustible. En esta etapa, como es lógico, es en la que más energía se consume y en la que más emisiones se producen. udEn esta etapa, para el cálculo de energía requerida se usa una expresión que depende proporcionalmente del consumo del vehículo, el poder calorífico inferior del combustible y de la vida útil del motor. Dado que el poder calorífico inferior del etanol es menor que el de la gasolina y no podemos obtener la misma cantidad del energía por unidad de masa de combustible, a medida que aumenta el porcentaje de etanol en la mezcla, aumenta también el consumo de combustible del vehículo.udPor otro lado, para las emisiones de gramos de CO2 durante esta etapa, se usa una expresión que depende de igual modo del consumo del combustible, de la vida útil y de un factor que resulta de la relación estequiométrica de la combustión del combustible. Este factor disminuye a medida que aumenta el porcentaje de etanol en la mezcla. udFinal de la vida útil udEn este caso, esta fase comprende desde el transporte del motor al desguace, a la fragmentación, en la cual se recuperan los materiales que se pueden reciclar mediante fundición (metales) u otros procesos. Además, el mantenimiento se considera despreciable a nivel energético y de producción de emisiones. udConcretamente, en esta etapa se ha considerado que el motor tiene una primera fase de drenaje de los líquidos que contiene, los cuales son el combustible y el lubricante. Después le sigue la fase de desmantelamiento, en la cual se separan todos los componentes del motor y, por último, todos aquellos componentes que se pueda se reciclan y el resto serán para desechar. En el caso del aluminio, se ha considerado que este material va directamente a fundición y para el caso del acero, éste será enviado a chatarra. El resto de componentes hechos de otro material se consideran desechables y no se contabilizan. udMantenimiento: udEsta etapa no se ha incluido en el análisis del ciclo de vida debido a que se dispone de muy poca información sobre el plan de mantenimiento del motor embarcado en el vehículo monoplaza. No obstante el peso sobre el resto etapas de ciclo de vida es muy pequeño. udUna vez introducidos todos los datos en el programa se procede a la obtención de resultados. En este caso, se tratará de realizar una comparación entre los diferentes combustibles y ver qué parte del proceso es la que demanda una mayor cantidad de energía primaria y cuál es en la que se emite más cantidad de CO2. udEn base a los datos obtenidos se observa que a mayor porcentaje en la mezcla de etanol respecto al de gasolina las emisiones de CO2 a la atmósfera disminuyen así como que la cantidad de energía primaria demandada aumenta. Esto parece lógico puesto que el camino de la gasolina requiere mucha menos energía y emite mayor cantidad de CO2 que el camino del etanol. udPor otro lado, respecto a la energía demandada por cada proceso del ciclo de vida, a medida que aumenta la cantidad de etanol en la mezcla, aumenta también el porcentaje de energía en la fase de “Well to Tank”, disminuyendo el de uso del motor respecto del total. Esto no quiere decir que disminuya la energía primaria demandada en la fase de uso, si no que su porcentaje disminuye respecto del total. De hecho, esta energía sigue una tendencia decreciente hasta el E85, donde aumenta considerablemente respecto de los demás combustibles. udEn cuanto a la comparativa de las emisiones de CO2, se tiene que a medida que aumenta el porcentaje de etanol en el combustible aumenta el porcentaje de emisiones en la fase de uso respecto del total, disminuyendo el porcentaje de la fase de “Well to Tank”, al contrario de lo que pasaba con la energía. udPor último, cabe destacar que aunque a mayor porcentaje de etanol, menores son las emisiones de CO2, en el caso de la mezcla de E85 esta disminución no es tan alta como debería. Esto se debe a que para este combustible, es necesario un cambio de materiales por corrosión de alguno de estos, como se dijo anteriormente. El cambio de aluminio por acero inoxidable aumenta considerablemente la masa del motor, y por tanto el consumo de combustible y demás parámetros que dependen de la masa.