Uso Eficiente de la Energía en el Transporte de Cargas y Pasajeros Parte 6

Ministro de Desarrollo Social y Medio Ambiente Secretaría de Desarrollo Sustentable y Política Ambiental

PROYECCIONES Y
OPCIONES TÉCNICAS DE
USO EFICIENTE DE LA
ENERGÍA EN EL TRANSPORTE
DE CARGAS Y PASAJEROS

3.2.1. Introducción

En Argentina, desde mediados de los años 80, más precisamente desde 1984, se comenzó a utilizar el GNC en motores a explosión en sustitución de los motonaftas.

Analizando el Parque Automotor de Argentina del año 1997 puede apreciarse la importancia de la penetración del GNC.
Los vehículos convertidos alcanzaban en dicho año a cerca de 420.000, aproximadamente el 6.7% del Parque Total Automotor.

La penetración del GNC había sido muy importante en los Taxis y similares (el 45% del Parque); en Utilitarios de carga de menos de 2 Tn (el 16.0% del Parque) y en Automóviles Particulares (el 4.0% del Parque).

Hay algunas experiencias para su utilización en Colectivos (incluso municipios como los de la Ciudad de la Plata, han generado resoluciones que prohiben el uso de vehículos de transporte público de pasajeros en el área urbana con niveles de emisión de contaminantes que impulsarían la alternativa GNC como la única posible) pero puede demorarse algún tiempo la incorporación masiva.

Es algo más complicada su utilización en Omnibuses y mucho más en camiones de gran porte. Esto obedece, entre otras razones, a la probada y amplia difusión del GNC en los motores a explosión en lugar de las Motonaftas y a las dificultades (económicas y técnicas) de su empleo masivo en motores diesel desplazando al gas oil.

3.2.2. El uso del GNC en automotores

En primer lugar se mencionarán las ventajas y desventajas de su empleo:

ii) Ventajas (respecto de las Naftas)

– Permite un arranque en frío más rápido y una marcha más suave en situación de régimen.
Esto obedece, entre otras cosas, a que el GN tiene mayor octanaje que las naftas (Puede llegar a 125 frente a 90-93 de las naftas)
– Duplica los intervalos entre cambios de aceite, dado que la combustión es más completa.
– Prolonga la vida útil de las bujías pues no forma sedimentos
– La lubricación es mejor pues no lava las paredes de los cilindros.
– Afecta menos a los caños de escape y a los silenciadores
– Al ser más liviano que el aire (0.61-0.63 respecto del aire), en caso de escapes no se producen acumulaciones de líquidos inflamables en los derrames como puede ocurrir con las naftas
– Incluso como su temperatura de ignición es más alta que la de las naftas, las probabilidades de accidentes por escapes accidentales son menores.
– Si el motor está diseñado para usar solamente GNC, se puede aumentar más la relación de compresión de los motores y se obtiene más potencia.
– Desde el punto de vista ambiental el uso del GNC frente a las naftas o el gas oil presenta los beneficios siguientes:
– Menores índices de Hidrocarburos no quemados (HC), CO y NOx
– Menor contaminación por emisión de gases del cárter que suelen volver al motor.
– Como se degrada menos el lubricante, no sólo baja el consumo de aceite sino también las emisiones de SO2
– Al no requerirse el uso de cebador con el motor frío, se reducen las emisiones

iii) Desventajas

– La principal es el peso de los cilindros de almacenamiento, con la consiguiente reducción de capacidad en el baúl.
– En los motores a explosión adaptados al uso del GNC pueden ser frecuentes las salidas de punto si la conversión no ha sido bien efectuada.
– La adaptación de los motores que usan inyección multipunto en lugar de carburador Pero en general las ventajas técnicas y económicas que brinda la reducida contaminación que produce lo hacen un excelente combustible sustituto de las Motonaftas y del gas oil en el uso automotor.

3.2.3. El equipamiento para motores de ciclo Otto

En algunos países los motores diseñados especialmente para funcionar con GNC se llaman “dedicados”.
Los equipados con motores Otto diseñados para funcionar con motonaftas, a los que se les incorpora un equipo de conversión (el kit) para que también puedan usar GNC, se llaman “bi – buel”.

En la Figura Nº 3.2.3.1. se puede apreciar el esquema de equipamiento para la conversión de un vehículo naftero con Inyección a GNC.

En general los elemen tos requeridos para la adaptación pueden dividirse en:

• Recipientes para almacenar el GNC
• Equipo de regulación
• Mezclador
• Accesorios

i) Recipientes para almacenar GNC

Como el GNC está a presión se utilizan recipientes (cilindros) de acero de alta resistencia fabricados para este uso.
La presión suele ser de 200 atm. Hay distintos tamaños de cilindros y la capacidad geométrica, para la presión que se adopte, determina los M3de GNC almacenados y los litros de nafta equivalente.

Así un cilindro de 60lt de capacidad geométrica, a 200 atm de presión, contiene unos 17lt de nafta, con un peso neto (Tara) de 50 kgr.

Para un vehículo con un consumo de 15lt/100km, se requerirían dos cilindros para tener una autonomía (con GNC) de 230 km.

En los automóviles los cilindros se colocan en el baúl. En los de carga o transporte de pasajeros pueden ubicarse bien en el lugar reservado a la carga o en el chasis, en un número compatible con la configuración del vehículo.
Se está experimentando con el aluminio en lugar del acero para reducir el peso de los cilindros, pero por razones de seguridad posiblemente sea el acero y acero-fibra, el mejor material, en particular para vehículos utilitarios.

En general la relación de peso-capacidad se ubica en 1kgr por litro.

En Argentina se prohibieron los cilindros composite de aluminio revestidos de fibra de vidrio y resina de tres marcas por razones de seguridad.

En Argentina la oferta nacional oscila entre las capacidades de 34 y 100lt equivalentes a cargas de 7 a 21m3de GNC.

ii) Equipo regulador

Su objetivo es reducir la presión del cilindro para que el gas llegue al sistema mezclador- dosificador adecuadamente y luego ingrese al motor.

En general hay modelos con dos o tres etapas de regulación pero los equipos están integrados en un solo cuerpo.
Los saltos de presión van desde 200 a 2.4 atmósferas en la primera etapa, de 2.4 a 1.0 atmósferas en las segunda y en la tercera bajan a la presión del ingreso al motor.

Como en la primera etapa de reducción se produce enfriamiento por el salto brusco de presión, se adiciona un sistema de calefacción con agua del radiador o por un sistema eléctrico.

iii) Mezclador

Sirve para efectuar la mezcla aire/gas y se coloca sobre el carburador del vehículo.

Es importante su diseño pues para cada estado de carga y/o tipo de motor, el regulador debe ser capaz de enviar la cantidad de gas necesaria al mezclador, que efectúa la mezcla con el aire, para el correcto funcionamiento del motor.
Al existir distinto vehículos y distintos tipos de carburadores el mezclador debe estar muy bien montado.
En el caso de automóviles a inyección existen reductores especiales como el Bugatti a presión positiva y los Galileo que permiten realizar la mezcla aire/gas adecuada.

En Argentina existen 41 talleres especializados para realizar la conversión completos de automóviles con carburados o con Inyección Incluso tanto la Marca Fiat como Peugeot están fabricando automóviles (Duna y 504 con carburador y Siena, Palio y 405) con Inyección Multipunto.

La firma Stefanelly de origen Italiano posee el sistema Telgas 500 de gestión electrónica para autos a inyección.
Sitec SRL tiene el equipamiento Morsystema aplicable a motores turbocomprimidos tanto con carburador como con centrales de inyección electrónica Electrodrel SRL inició en Septiembre de 1998 la puesta en marcha de un proyecto para la conversión a GNC, de vehículos a inyección electrónica.

En general la tendencia en Europa y Japón es hacia los sistemas de inyección de gas (presión positiva) y al abandono de los aspirados, asegurando así una mejor performance del vehículo y un mayor control de la calidad de los gases de escape.

iv) Los Accesorios

El equipo se completa con:

– Dos electroválvulas, una para cortar la alimentación del gas y la otra para la de nafta (esto porque una buena parte de los vehículos convertidos conservan la opción de usar esto combustible en forma alternativa). Las electróválulas se comandan desde el tablero del vehículo.
– Válvulas manuales de bloqueo, válvulas de seguridad de llenado, conductos de alta y baja presión, indicadores del nivel de carga, etc.
– Opcionalmente puede existir un dispositivo electrónico para variar el avance del encendido adaptándolo al uso de GNC o nafta y a los distintos estados de carga.

3.2.4. El equipamiento para motores de ciclo diesel

Los vehículos con motor diesel adaptados para usar una mezcla de gas oil – GNC se denominan “dual – fuel” y la proporción de GNC en la mezcla (entre 70 y 80%) reduce en forma importante la emisión de partículas.

El funcionamiento en ciclo diesel con mezcla gas oil/GNC, no debe confundirse con la transformación de motores diesel a motores Otto que consumen solo GNC y que se llaman Motores Gaseros.

El principio de funcionamiento de esta alimentación mixta si bien es simple, presenta dificultades técnicas y mecánicas.
El ciclo del motor sigue siendo el diesel, pero únicamente puede funcionar con gas oil solo o con la mezcla, pero nunca con GNC solo.

Los componentes del sistema son los siguientes:

i) Recipiente para almacenar el GNC (similar a los motores Otto).
ii) Regulador (para el GNC) también como en los motores Otto.
iii) Mezclador especial colocado sorbe el colector de aspiración del motor.
iv) Sistema electrónico de control del número de revoluciones, y de la cantidad de GNC, durante
el funcionamiento con mezcla gas oil/GNC.
v) Accesorios.

El funcionamiento es el siguiente: con la llave instalada en el tablero de control del conductor, se selecciona la marcha con gas oil solo o con la mezcla gas oil/GNC.

En posición “sólo gas oil” trabaja el motor en las condiciones de diseño.

Cuando funciona con la mezcla el motor se comporta del siguiente modo:

• Arranca con gas oil y toma la cantidad de aire necesaria para la correcta combustión.
• Un electro-comando limita el aporte de la bomba de inyección para que como máximo entregue entre 17 y 22% de gas oil, mientras se abre la electroválvula de admisión del GNC.
• Cuando se requiere mayor potencia, se acciona el acelerador y el resto de combustible ingresa desde el reductor de GNC y el motor funciona con ambos combustibles simultáneamente.

El motor trabaja siempre en ciclo diesel y el autoencendido se produce a través de la cantidad de GNC inyectado.

3.2.5. Las Estaciones de carga de GNC

En Argentina existen aproximadamente 650 estaciones de carga diseminadas por buena parte de las ciudades provinciales.

Se puede dividir a las estaciones de carga en:

• Carga directa (modular)
• Carga con una estación central (madre) y satélite (trasvase)
• Carga lenta

3.2.5. Las Estaciones de carga de GNC

En ellas el gas natural se toma de la red de distribución (la cañería de alimentación), se eleva su presión a 250 atmósferas mediante compresores de múltiples etapas electromecánicos o hidráulicos, dependiendo el número de etapas de la mínima presión de abastecimiento y del caudal de gas a despachar.

El GNC se almacena en baterías de cilindros y se despacha a través de bocas de carga especiales (surtidores) con su sistema de medición.

Además la estación cuenta con los servicios auxiliares (de control, de iluminación, de seguridad, etc.).

El tiempo de carga de un vehículo oscila entre 3 y 6 minutos.

ii) Con Estación Central (Madre) y Satélite (Trasvase)

Para aquellos lugares donde no existe red de distribución de gas natural.

La estación madre está conectada al gasoducto y comprime el gas natural que alimenta a “cilindros tanque” que distribuyen camiones (satélites) destinados a este fin.

Estos “camiones’ llevan el gas a los lugares sin red de distribución.

iii) Estaciones de Carga Lenta

Están destinadas a flotas de vehículos que desarrollan servicios en forma discontinua.

La carga se realiza en los períodos en los que los vehículos no “trabajan” y operan simultáneamente con diez a quince según la cantidad de puntos de carga, capacidad del compresor y tiempos de carga. Los períodos de carga pueden durar entre tres y diez horas.

Puede ser el sistema para autobuses (colectivos urbanos).

El equipamiento de las estaciones existentes en Argentina, esencialmente los compresores, es en un 70% de origen importado. Existen trece empresas que comercializan, de las cuales cinco son argentinas.


3.2.6. Las condiciones de seguridad

i) Cilindros de combustible

Se han eliminado los cilindros intercambiables y actualmente forman parte del equipo de conversión en forma fija.
Los cilindros poseen válvulas de seguridad, disco fusible y de rotura que actúan cuando hay elevación de presión y de temperatura respectivamente.

ii) El “kit’ de conversión

El cilindro debe estar perfectamente anclado para evitar desplazamientos o rotaciones y está protegido contra impactos, roces, etc.

Las conexiones de llenado, las válvulas de seguridad y de bloque, están protegidas por un capuchón.
Una electroválvula, en el regulador, normalmente permanece cerrada y solo se abre si se encuentra energizada. Es un elemento importante pues corta el suministro de GNC desde la primera etapa del regulador cuando el vehículo se pasa a nafta o cuando el motor se detiene, aún con la llave en arranque. Esto elimina el riesgo de explosiones por flujo de gas.

iii) En las Estaciones de Carga

Ante cualquier peligro (sobrepresión, fuego o fugas de gas) sensores actúan sobre las válvulas de bloqueo que cortan el suministro de electricidad a los compresores.

También poseen válvulas de seguridad en los recipientes de almacenamiento y válvulas para exceso de flujo en las mangueras. Además el gas es odorizado.

iv) Seguridad en el uso de los vehículos a GNC

Deben estacionarse, en lugares cerrados, con sistemas de ventilación.

Los talleres para reparación y montaje deben estar autorizados.

En caso de choques, además de actuar los sistemas existentes en los componentes de los equipos, se deben bloquear las válvulas de los recipientes inmediatamente.

Cuando el vehículo, a GNC, esté un tiempo fuera de servicio, se bloquean las válvulas primarias y se consume todo el gas que quede en las cañerías y en el regulador.

3.2.7. El uso en transporte urbano de pasajeros

Como se mencionó en Argentina la máxima difusión del GNC se ha dado en taxis y similares, en utilitarios hasta 2 Tn de carga y en automóviles particulares.

En el caso de los colectivos en general no se ha producido una penetración masiva y solo han circulado algunos vehículos de prueba.

Desde el punto de vista de la emisión de gases en áreas urbanas, la sustitución del colectvio funcionando con motor diesel y consumiendo gas oil, sería una importante medida de mitigación.

Más allá de disposiciones o reglamentaciones, como la citada de la ciudad de La Plata y las ideas similares en la Ciudad de Buenos Aires, los propietarios de las líneas de colectivos no parecen my dispuestos a sustituir sus actuales flotas.
Es que, a diferencia de lo que ocurre en otros países, por ejemplo en ciudades de Colombia, los parques de buses urbanos en Argentina operan con motores diesel y no con motores Otto, donde la sustitución es sencilla y la perfomance suficientemente probada (en taxis, utilitarios de menos de 2 Tn y autos particulares).

Por eso, más que al uso de mezclas gas oil/GNC en motores diesel, se está buscando la fabricación de motores especiales para el uso de GNC dentro del ciclo Otto.

En Europa varias empresas ya han ingresado en la etapa de comercialización de unidades propulsadas a GNC. Por ejemplo, Van Hool, IVECO, MAN, Mercedes Benz, Renault, VOLVO, THOMAS, SCANIA.

En Colombia, en Bogotá, se están realizando pruebas de campo para utilizar buses con motor a GNC, de inyección multipunto y turbocomprimido, para lo cual emplearán vehículos Thomas, IVECO, Renault y Scania, importados.
En Barranquillia, Colombia, el 80% de los buses urbanos operan a GNC.

En Chile, especialmente en Santiago, la Universidad de Chile, está implementando un estudio para el seguimiento del Plan Piloto de Utilización de Combustibles Gaseosos en Buses de Transporte de Pasajeros en el área Metropolitana, con resultados hasta sus informes de avance muy provisorios.

3.3.1. Generalidades

El GLP es utilizado como combustible para accionar motores Otto a nafta en autos particulares, taxis y utilitarios de pequeño porte, por ejemplo, en España, Italia e USA. Así en USA del total de vehículos que utilizan combustibles alternativos el 65% son accionados a GLP.

Como se mencionó en Argentina su empleo en automotores está penado por la ley.

Es que es un buena medida es el combustible utilizado por muchas familias para satisfacer sus consumos calóricos (cocción, calentamiento de agua) e incluso en heladeras donde no llega la energía eléctrica.

Como durante muchos años, el país fue importador neto (situación que se ha revertido totalmente en la actualidad) de GLP, no pareció conveniente a las autoridades impulsar el uso en automotores.

Por otra parte el éxito de la penetración del GNC en ese mercado, la abundante oferta de motonaftas y el proceso de dieselización, fueron otros obstáculos a esta nueva utilización del GLP.

Como, de todas maneras, desde las empresas oferentes de GLP en Argentina se está planteando el empleo de GLP en automotores, pareció conveniente mencionar aquí algunos aspectos sobre este particular.

3.3.2. Características del GLP

Si se quisiera emplear en automotores a ciclo Otto, el GLP debería tener no menos de 50% de propano (C3).
Es que en los motores en clima frío, al vaporizarse el butano (C4) a casi 0º C, puede ofrecer dificultades al pasar a gas.
En cambio el (C3) que hierve a -40º C (a la presión atmosférica), se gasifica mejor en el arranque.

También el C3 tiene mayor índice octano (entre 100 y 125) frente al C4 que llega al 93.
De esta manera con altas proporciones de C3 se puede usar en motores con relaciones de compresión cercanas a 10 y obtener más potencia.

Debe diferenciarse, también, el uso en cocción del uso en automotores.

En cocción el GLP se toma de la parte superior de la garrafa, aprovechando la vaporización natural.

Por el contrario para los motores se debe recoger del fondo en forma líquida y se vaporiza luego en un vaporizador antes de ingresar al carburador.

La potencia que se obtiene de 1 Kgr de GLP es similar a la que aporta 1 Kgr de nafta. Pero el GLP tiene el inconveniente de ocupar más espacio por Kcal, que la nafta (1 Kgr de GLP ocupa 1,82 lt y se convierte en 450 lt de vapor) y esto baja la potencia hasta en un 10%.

3.3.3. El equipamiento y funcionamiento

i) La carburación

Es muy parecida a la de la nafta.
El GLP está a 1t atmósfera en el tanque y se debe vaporizar totalmente antes de ingresar al carburador.
Esto requiere carburadores especiales.
Si los motores únicamente poseen un carburador para el GLP, solo aquellos vehículos de recorrido limitado (taxis y buses en áreas urbanas), que pueden aprovisionarse fácilmente de garrafas, serían aptos para emplearlo.
Por esta razón los motores suelen ser duales con válvulas comandadas eléctricamente, que permitan el paso de uno u otro combustible.

ii) El reductor vaporizador

En general se utilizan dos reductores y el vaporizador constituyendo un solo aparato.
Así se ahorra espacio y sobre todo se aprovecha el calor (que requiere el enorme enfriamiento que produce la vaporización del GLP) proveniente del agua caliente del radiador.

iii) La instalación de la garrafa

La garrafa se coloca en el porta equipaje. El tablero del conductor posee dos mandos que permiten el arranque en frío y el cambio a GLP o nafta.

iv) La compresión

Debe ser mayor de 7,5 por el alto octanaje del GLP. Por esto es conveniente usar el GLP en motores nuevos con la compresión adecuada y no en viejos convertidos, sino se pierde mucha potencia.

v) Funcionamiento

La temperatura de vaporización deber ser la más parecida a la del aire, que a su vez debería ser lo más baja posible.
Entonces, si la regulación de temperatura es la adecuada el motor puede proporcionar una potencia similar a si se usa motonafta.
El encendido requiere aproximadamente un 20% más de temperatura que cuando se emplea motonafta. Por ejemplo una inflamación a 360º C, en lugar de a 300º C.
También suele adelantarse algo el encendido.
Las bujías, al ser frías, duran hasta tres veces más que con la nafta.
El aceite lubricante, también dura más que con las naftas pues no se diluye con el combustible y no se producen gomas, ni carbono.
Además el recalentamiento del motor es menor.

3.3.4. Comparación con la motonafta

Ventajas:

• Funciona suavemente y no produce autoencendido
• El motor suele tener mayor vida útil
• El mantenimiento es menor Los gases se escape aportan menos CO

Desventajas o problemas:

• El peso de las garrafas en mayor y ocupan espacio útil en el barril
• El área de servicio es menor por la indisponibilidad de garrafas
• Si el precio del GLP, para uso de las familias, se desea mantener bajo, puede estar subvencionándose al automovilista con una inadecuada asignación de los recursos. Entre otras razones esto llevó a su prohibición, para este uso, en Argentina
• La abundante disponibilidad de motonafta, como en Argentina, ya sustituidas por el GNC y el gas oil, con el posible impacto sobre la estructura de las destilerías La seguridad de las garrafas, no seria inconveniente pero exigiría controles y verificaciones permanentes.

3.4. Conclusiones

En este Capítulo II se analizaron las distintas opciones técnicas y su disponibilidad futura para los medios de transporte en Argentina.

Esto es: el uso de motonaftas; GNC y GLP en los motores a explosión; el de gas oil y GNC en motores diesel; los vehículos eléctricos a batería o a hidrógeno; a hidrógeno en combustión interna; los vehículos híbridos y el motor Wankel, se dedujeron las opciones a ser utilizadas en el escenario de mitigación para el cálculo de los consumos energéticos y de las emisiones.

Dado el período de proyección, año 2012, se descartaron los vehículos:

• Eléctricos a batería o a hidrógeno
• A hidrógeno en combustión interna
• Los híbridos
• El motor Wankel
• Los que utilizarían GLP
• Los que emplearían mezclas GNC/Gas Oil en motores diesel

En consecuencia, con criterio realista dados los alcances del estudio, se privilegiará, dentro de posibilidades también realistas, el uso del GNC en motores a explosión y la adopción en vehículos de transporte de pasajeros (minibuses y colectivos) de motores especialmente diseñados para usar GNC.

También en el caso de los tipos de vehículos que actualmente ya emplean GNC en motores a explosión (taxis y similares; utilitarios de menos de 2 Tn y autos particulares) se supondrá que los nuevos motores que los accionen sean fabricados especialmente para ser usados con GNC.

En el Escenario de Base también se supondrá la continuidad de la penetración del GNC, pero a mucho menor ritmo que en el de Mitigación, y manteniendo, en aquel Escenario, la dieselización que viene aconteciendo en el país desde hace varias décadas.


4. Bibliografía complementaria

1. “The Diesel Engine Energy Stake and Environment Contains” A Thermie Programme Action, International Seminar, Cologne, 22 – 23 May 1991, European Communities
2. “Sustainable Transport in Central and Eastern European Cities” European Conference of Ministers of Transports, OECD, 1995
3. “A prosperous path to a Clean Environment” Energy Innovations, Alliance to save Energy, Efficient Economy, Natural Resources Defense Council, Tellus Institute and Union of Concerned Scientists, June 1997, Cambridge, MA 02238, www.ucsusa.org
4. “Indicators of Energy use and Efficiency”, International Energy Agency, 1997
5. J. C. Bolcich, T.N. Veziroglu Edit: “Hydrogen Energy Progress XII”, Proceedings of the 12th World Hydrogen Energy Conference, International Association for Hydrogen Energy, Buenos Aires, Argentina, 21-26 June 1998
6. H. Lontrato “Transporte y Contaminación”, Noticias CEAMSE, Año VIII, Nº 15, Marzo-Abril 1999, Argentina.
7. “Consumo de Gas Natural y Emisiones de Gases por el Sistema Carretero y Generación Eléctrica en Argentin