UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE

Nombre: CHRISTIAN GARCIA NARVAEZ

Asignatura: MOTORES ESPECIALES

Fecha: 21/07/2015

INFLUENCIA CONTAMINANTE DEL USO DEL GAS NATURAL COMO CARBURANTE AUTOMOTRIZ

GAS NATURAL

El gas natural es un combustible compuesto por un conjunto de hidrocarburos livianos, el

principal componente es el metano (CH4). Se puede encontrar como “gas natural asociado”

cuando está acompañando de petróleo, o bien como “gas natural no asociado” cuando son

yacimientos exclusivos de gas natural.

Ilustración 1

Fuente:

http://www.fundaciongasnaturalfenosa.org/SiteCollectionDocuments/Actividades/Seminarios

/Granada%20040702/Carmen%20Calleja.pdf

Ilustración 2

Fuente: http://www.cinydesac.com/articulos/Bondades-del-gas-natural.pdf

Gas Natural Licuado (GNL)

El GNL es gas natural que ha sido sometido a un proceso de licuefacción, que consiste en llevarlo

a una temperatura aproximada de -1600 C con lo que se consigue reducir su volumen en 600

veces. Esto permite transportar una cantidad importante de gas en buques llamados metaneros.

El GNL se halla en estado líquido mientras que el gas seco (que viaja por gasoducto) se encuentra

en estado gaseoso.

Fuente: http://www.iae.org.ar/archivos/educ_gnl.pdf

Cuando el GN es sometido a un proceso de licuefacción en el cual se enfría a una temperatura

criogénica, por debajo de –160ºC a presión atmosférica, se condensa a líquido, y se conoce como

gas natural licuado (GNL) (Arias, 2006). La principal ventaja del GNL sobre el GN es que su

volumen es 600 veces menor. Además, el GNL pesa apenas un 45% de su volumen equivalente

en agua. La ventaja del GNL en volumen y peso hace que sea factible de almacenarlo y

transportarlo de las zonas productoras a las consumidoras. Como características principales el

GNL es inodoro, incoloro, no tóxico, su densidad relativa (respecto al agua) es 0,45 y sólo se

quema si entra en contacto con aire a concentraciones de 5% a 15% (límites de inflamabilidad).

La densidad del GNL está entre 0,44 y 0,47 tonelada por metro cúbico, dependiendo también de

su composición. Los valores caloríficos para el GNL ya regasificado van desde 37,6 MJ/m3 hasta

41,9 MJ/m3. (AIE, 2007) El valor calorífico del GNL puede expresarse en MJ por metro cúbico del

gas licuado o GJ por tonelada. La relación entre un metro cúbico de GNL y un metro cúbico de

GNL regasificado depende de la composición del GNL y es aproximadamente 1:600 (AIE, 2007).

Gnc:

Se denomina GNC al gas natural comprimido a altas presiones y almacenado en depósitos. Esta

compresión se realiza para poder almacenar una cantidad de energía considerable en un

volumen limitado.

El único inconveniente que conlleva es que cuanta mayor sea la energía almacenada en el

tanque, mayor serán los efectos negativos en caso de un accidente que afecte al sistema de

almacenamiento. Sin embargo, cabe mencionar que el GNC es menos peligroso que otros

combustibles debido a que presenta una elevada temperatura de ignición (700ºC) y un rango de

inflamabilidad muy bajo (suele oscilar entre 5-15% de la mezcla aire/gas a presión atmosférica).

Se utiliza como combustible para uso vehicular ya que es económico y ambientalmente limpio

(se justificará en apartados posteriores), por lo que es considerado una alternativa para la

sustitución de combustibles líquidos. La utilización de elevadas presiones permite almacenar

una cantidad de energía considerable para proveer la máxima autonomía posible al vehículo.

El gas natural se suele comprimir a 250 bar y se almacena en el vehículo en cilindros instalados

en la parte trasera, el chasis, o en el techo, a una presión de 200 bar.

Fuente: http://sanjanasadhani.weebly.com/uploads/1/0/6/4/10643581/memoria.pdf

livianos

Ilustración 3

Ilustración 4

Ilustración 5

Pesados

Ilustración 6

Ilustración 7

GNV:

La toma de conciencia de la degradación del medio ambiente causada por las emisiones de gases

de escape de origen vehicular, ha inducido a la búsqueda de combustibles más “limpios”. El

factor geográfico de la ciudad de Lima con cercana presencia de la cordillera de Los Andes impide

la limpieza de la atmósfera por barrido de los vientos, creando así una capa de inversión de baja

altura y una consiguiente acumulación de partículas contaminantes. El GNV posee innumerables

beneficios medio ambientales entre los cuales podemos mencionar: - No contiene Azufre ni

plomo. - Reducción de hasta 97% en emisiones de monóxido de carbono (CO) con respecto a los

combustibles líquidos - Reducción de hasta 97% de emisiones contaminantes con respecto a los

combustibles líquidos - Reducción de hasta 100% de emisiones de particulado. - Los vehículos

transformados a GNV superan las Normas EURO III vigentes actualmente e inclusive las normas

EURO IV que están por ser emitidas.

Ilustración 8

Ilustración 9

FUENTE: http://www.conuee.gob.mx/archivospdf/presentacionGNVNov13.pdf

Ventajas ecológicas

Ilustración 10

Separación de gas natural de contaminantes:

El gas natural contiene aproximadamente un 90% en volumen de metano pero tiene trazas de

gases sulfurados que actúan envenenando los catalizadores, por lo que debe ser desulfurado.

Este proceso se lleva a cabo mediante algunos procesos mediante diferentes aplicaciones para

la eliminación de compuestos sulfurados a base de níquel o cobre-zinc, describa por lo menos

dos maneras de eliminar este compuesto presente en el gas natural El proceso de reformado El

gas natural contiene aproximadamente un 90% en volumen de metano pero tiene trazas de

gases sulfurados que actúan envenenando los catalizadores, por lo que debe ser desulfurado.

Este proceso se lleva a cabo mediante algunos procesos mediante diferentes aplicaciones para

la eliminación de compuestos sulfurados a base de níquel o cobre-zinc, describa por lo menos

dos maneras de eliminar este compuesto presente en el gas natural El proceso de reformado.

Ilustración 11

Fuente: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lpro/vega_z_j/capitulo3.pdf

Fraccionamiento del Gas Natural

El fraccionamiento es una operación de unidad utilizada para separar mezclas dentro de

productos individuales. El fraccionamiento implica la separación de componentes por la

volatilidad relativa (a). La dificultad de una separación directamente es relacionada con la

volatilidad relativa de los componentes y la pureza requerida de las corrientes del producto.

La forma más utilizada para la separación de los componentes del gas natural es mediante

enfriamiento, se utilizan los principios de refrigeración mecánica o autorefrigeración mediante

el principio de Joule Thompson (expansión isentrópica o adiabática). Posteriormente la mezcla

liquida es sometida a fraccionamiento en una columna de platos o empaques.

Ilustración 12

Columna de fraccionamiento

Una columna de fraccionamiento, también llamada columna de platos o columna de platillos, es

un aparato que permite realizar una destilación fraccionada.

Destilación fraccionada

Una destilación fraccionada es una técnica que permite realizar una serie completa de

destilaciones simples en una sola operación sencilla y continua. La destilación fraccionada es

una operación básica en la industria química y afines, y se utiliza fundamentalmente en la

separación de mezclas de componentes líquidos.

Ilustración 13

Fundamento teórico

consiste en el calentamiento de la mezcla, que da lugar a un vapor más rico que la mezcla en el

componente más volátil (destilación simple). El vapor pasa a la parte superior de la columna

donde condensa. Como la temperatura sigue aumentando, a su vez este condensado se calienta

dando lugar a un vapor aún más rico en el componente más volátil (más ligero, de menor punto

de ebullición), que vuelve a ascender en la columna (nueva destilación simple). De la misma

forma el líquido condensado de cada paso va refluyendo hacia la parte baja de la columna,

haciéndose cada vez más rico en el componente menos volátil.

Ilustración 14

Ilustración 15

Fuent: https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/15862/tesisUPV3510.pdf?sequence=1

PRODUCCIÓN DEL GAS NATURAL Y METANO

Extracción del gas natural

Perforación Una práctica habitual usada para rentabilizar la explotación es la agrupación de

varios pozos, separados de 5 a 8 m entre ellos, en una sola plataforma. Los pozos se perforan

consecutivamente y se distribuyen de tal manera que permiten cubrir un área determinada del

estrato de pizarra sin dejar huecos. El número de plataformas por km² es de 1,5 a 3,5. Cada

plataforma requiere una superficie de 1,5 a 2 hectáreas, que permita almacenar todo el fluido

de fractura, los lodos de perforación, el equipo asociado a las operaciones de fractura hidráulica,

el correspondiente a la perforación vertical y el correspondiente a la perforación horizontal

(diferente del anterior y muy numeroso), sin olvidar los restos de la perforación y el fluido de

fabricados en acero que refuerzan el orificio de perforación.

Ilustración 16

El espacio existente entre el exterior del tubo y la pared del pozo (ánulo) se suele cementar. A

medida que aumenta la profundidad de perforación, la correcta realización del cementado

resulta cada vez más complicada. Sin embargo, es de suma importancia puesto que en la fase

de fractura hidráulica el pozo es sometido a múltiples cambios de presión muy fuertes. Los tubos

de revestimiento junto al cementado cumplen una función estructural (proporcionan solidez y

consistencia al pozo), previniendo un hundimiento del pozo y corrimientos de la tierra superficial

que rodea la boca de éste. Además, cumplen otra función fundamental: protegen los acuíferos

de posibles contaminaciones por los lodos de perforación, el fluido de fractura, o cualquiera de

las sustancias presentes en la roca y liberadas en los procesos de perforación y fractura

hidráulica (el propio gas metano, metales pesados, partículas radiactivas, etc.).

Ilustración 17

Una vez alcanzado el estrato deseado se utilizan explosivos para crear pequeñas grietas

alrededor del orificio de producción. retorno y demás sustancias que emergen del pozo. El

proceso de perforación se lleva a cabo ininterrumpidamente las 24 horas del día durante meses.

A medida que se perfora el pozo, se van instalando una serie de tubos de revestimiento (casing).

Fractura Hidráulica

Se emplea para extender las pequeñas fracturas varios cientos de metros, inyectando un fluido

a una elevada presión (entre 34 y 690 atmósferas, equivalentes a la presión que hay bajo el mar

a una profundidad de 3450-6900 m). En la actualidad, se divide el tramo horizontal en varias

etapas independientes (de 8 a 13) empezando por el extremo final (pie) del pozo. Además, cada

etapa es fracturada alrededor de 15 veces consecutivas, cada una con aditivos específicos. Por

tanto, cada pozo es sometido a un gran número de fuertes compresiones y descompresiones

que ponen a prueba la resistencia de los materiales y la correcta realización de la cementación,

de las uniones, del sellado, etc. Aproximadamente un 98% del fluido inyectado es agua y un

agente de apuntalamiento, (normalmente arena) que sirve para mantener abiertas las fracturas

formadas, permitiendo así la extracción posterior del gas a través del tubo de producción. El 2%

restante son productos químicos que sirven para lograr una distribución homogénea del agente

de apuntalamiento, facilitar el retroceso del fluido, inhibir la corrosión, limpiar los orificios y

tubos y como antioxidante, biocida/bactericida. Sólo para la fase de fractura, una plataforma

con 6 pozos de 2 km de profundidad y 1,2 km de recorrido horizontal necesita entre 72.000 y

210.000 toneladas de agua. Parte del agua se extrae directamente de fuentes superficiales o

subterráneas del lugar y es transportada en camiones o a través de tuberías. Si se tiene en cuenta

todo el proceso y no sólo la fase de fractura, el consumo de agua aumenta de un 10% a un 30%.

Ilustración 18

Fuente: www.comimsa.com.mx

Orígenes del metano.

El metano se produce por la descomposición de substancias vegetales, principalmente celulosa,

por la acción de microorganismos, y se desprende del cieno de algunos pantanos, por lo que

también suele denominarse gas de los pantanos. Los orígenes principales de metano son:

Descomposición de los residuos orgánicos 28%. Agente común de descomposición es el calor,

que puede descomponer tanto los compuestos inorgánicos como los orgánicos. La

descomposición también puede producirse por la acción química, la catálisis, las bacterias, las

enzimas y la luz. La fermentación, por ejemplo, es causada por la acción de las enzimas. El

término descomposición se aplica también al fenómeno de desintegración biológica o

putrefacción causado por los microorganismos. Sin embargo, mediante la descomposición

también pueden obtenerse productos útiles como el petróleo.

Fuentes naturales (pantanos) 23%. Bacterias que obtienen su energía a través de la producción

metabólica de gas metano, a partir del dióxido de carbono y del hidrógeno. La mayoría son

anaerobias, es decir, que viven en ausencia de oxígeno. Las bacterias de este género, provocan

la descomposición anaerobia de la materia de origen vegetal, por ello se encuentran en las

charcas, en el suelo y en el tracto digestivo de las vacas y de otros rumiantes.

Extracción de combustibles fósiles 20%. El metano tradicionalmente se quemaba y emitía

directamente. Hoy día se intenta almacenar en lo posible para reaprovecharlo formando el

llamado gas natural.

Los procesos en la digestión y defecación de animales 17%. Especialmente del ganado

generado por las bacterias del trasto digestivo.

Las bacterias en plantaciones de arroz 12%. La agricultura da cuenta de alrededor de una quinta

parte del efecto invernadero produciendo cerca del 50 y el 70% respectivamente, 5 de todas las

emisiones antropogénicas de CH4 y N2O, aunque esta última no nos interesa en este proyecto.

Ilustración 19

Obtención de metano en vertederos

La fracción de residuos de transformados vegetales que se deposita en vertedero es susceptible

de someterse a tratamiento con el resto de residuos urbanos para la obtención de metano. Se

llama mecanización de residuos sólidos al proceso de fermentación anaeróbica de los

componentes orgánicos de los mismos. Dicha fermentación es producida por bacterias que se

desarrollan en ambientes carentes de oxígeno. Durante el proceso de transformación de la

materia orgánica (digestión) dichas bacterias producen un gas denominado por su origen

"biogás", el cual se compone fundamentalmente de metano (CH4) y de dióxido de carbono

(CO2). Los porcentajes de participación de estos gases son variables y dependen de las

condiciones físico-químicas en que se desarrolla la digestión de la materia prima. El metano se

puede utilizar en la producción de energía eléctrica y de energía térmica. La tecnología

anaerobia aplicada a la biometanización de los residuos sólidos urbanos es una tecnología

madura con posibilidad de ser aplicada a cualquier tipo de fracción orgánica

independientemente de su origen (forma de selección) o de su grado de humedad. La

biometanización se aplica generalmente seguida de un proceso de compostaje, dado que el

residuo una vez digerido, no posee las características idóneas para ser utilizado en agricultura.

Ilustración 20

métodos abiogénicos.

Casi todo el metano en la Tierra tiene un origen biológico, los científicos han comenzado

recientemente a apreciar los muchos medios abiogénicos en que el metano puede ser generado.

La precondición esencial para el metano abiogénico, según una cientifica llamada Juske Horita

de la División de Ciencias Químicas en el Laboratorio Oak Ridge en Tennessee, es la presencia

de hidrógeno molecular (H2) y anhídrido carbónico. La mayor parte del metano abiogénico es

generado por una reacción de “serpentinización”, que forma el mineral serpentina. En las

cadenas oceánicas, el agua calentada por el magma reacciona con rocas como el olivino, que

contiene elevados niveles de los catalizadores hierro y magnesio. Durante la serpentinización,

el hidrógeno liberado a partir del agua reacciona con el carbono del anhídrido carbónico y forma

el metano. La reacción genera calor y vastos depósitos de serpentina en el fondo del océano.

Hasta hace poco tiempo, se pensaba que las reacciones abiogénicas de agua, minerales y

anhídrido carbónico, incluyendo la serpentinización, requerían agua a 200ºC. 9 Hay indicios de

que reacciones similares productoras de metano podrían tener lugar en condiciones más frías.

Horita, por ejemplo, hace notar que la serpentinización puede ocurrir en el agua a entre 50 y 70

grados C en Omán y las Filipinas. A pesar de los descubrimientos de múltiples nuevos caminos

de producción de metano abiogénico, la mayor parte del metano en la Tierra es biogénico.

Fuente: http://casiupa2.webcindario.com/metano.pdf