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Evaluación y comparación de la ecoeficiencia del uso de biodiésel en generación eléctrica producido mediante la tecnología IPN-GBD-1000® respecto al diésel fósil

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dc.contributor.author Viornery Portillo, Emilio Arturo
dc.date.accessioned 2021-04-26T16:55:58Z
dc.date.available 2021-04-26T16:55:58Z
dc.date.created 2020-09-01
dc.date.issued 2021-04-21
dc.identifier.citation Viornery Portillo, Emilio Arturo. (2020). Evaluación y comparación de la ecoeficiencia del uso de biodiésel en generación eléctrica producido mediante la tecnología IPN-GBD-1000® respecto al diésel fósil. (Maestría en Ingeniería en Producción más Limpia). Instituto Politécnico Nacional, Centro Mexicano para la Producción más Limpia. México. es
dc.identifier.uri http://tesis.ipn.mx/handle/123456789/28848
dc.description Tesis (Maestría en Ingeniería en Producción más Limpia), Instituto Politécnico Nacional, CMPL, 2020, 1 archivo PDF, (140 páginas). tesis.ipn.mx es
dc.description.abstract RESUMEN: En este trabajo de investigación se evaluó y comparó la ecoeficiencia del uso de biodiésel producido a partir de aceite vegetal residual mediante la tecnología IPN-GBD-1000® en mezcla B25 para la generación eléctrica, respecto al diésel fósil. Se partió de una revisión de las metodologías disponibles para calcular la ecoeficiencia con el fin de generar una propuesta particular aplicable para la evaluación de sistemas de producción-uso de biocombustibles con base en la definición más simple de ecoeficiencia que es el cociente que resulta de la estimación de valor o utilidad entre el impacto ambiental. De las metodologías estudiadas, se seleccionaron la norma ISO 14045; que a su vez utiliza las normas ISO 14040 y ISO 14044 para calcular el impacto ambiental con enfoque al ciclo de vida del producto y la metodología de BASF, la cual propone un método de normalización y herramientas de fácil visualización para reportar el impacto ambiental y la ecoeficiencia, las cuales son características deseables para un tomador de decisión. La evaluación del impacto ambiental se realizó con base en las directrices de la norma ISO 14040 para lo cual se contemplaron las etapas de producción de combustible y el uso de este en un generador eléctrico teniendo como unidad funcional seleccionada 1 kWh de energía producida. Los sistemas evaluados fueron una mezcla B25 (biodiésel-diésel) o sistema 1 y diésel de petróleo o fósil (B0) como sistema 2. Para calcular el impacto ambiental en la etapa de uso de ambos sistemas se realizó una experimentación en un generador eléctrico diésel de 30 kW de potencia nominal trabajando a una carga de 25 kW (83.33%). Las mezclas utilizadas (B25 y B0) fueron caracterizadas por el LaNDACBio. Para el sistema 1, se trabajó con una mezcla 25% biodiésel y 75% diésel en una operación con duración de 1 hora midiendo las emisiones de CO, CO2 y NOx. Adicionalmente, se midió el consumo de combustible de la operación por diferencia volumétrica por triplicado. Los datos del inventario de ciclo de vida de la producción del biodiésel fueron proporcionados por el LaNDACBio referentes a la planta de producción de biodiésel a escala semi-industrial del IPN ubicada en el CMPL (Centro Mexicano para la Producción más Limpia). Esta planta productora utilizada el proceso IPN-GBD-1000® el cual tiene ventajas ambientales como el prescindir del uso de agua de proceso para purificar el producto, bajo consumo energético de proceso, uso de sustancias de bajo impacto ambiental y el uso de aceite vegetal residual como materia prima. En cuanto a los datos del inventario de ciclo de vida de la producción diésel, se tomaron los resultados de impacto ambiental de la base de datos del software GaBI® de un proceso de producción de diésel perteneciente a los Estados Unidos de América. Se alimentaron los datos del inventario de ciclo de vida para las etapas de producción y uso de ambos sistemas en la metodología CML 2001 con asistencia del software GaBi® para las categorías: potencial de calentamiento global, potencial de acidificación, potencial de eutrofización, potencial de agotamiento de la capa de ozono estratosférico, potencial de agotamiento de recursos abióticos, potencial de agotamiento abióticos fósil, potencial de toxicidad humana y potencial de formación de ozono fotoquímico. Partiendo de los resultados de impacto ambiental de las 8 categorías evaluadas, se construyó el gráfico de radar (huella de impacto ambiental) con 8 ejes para el sistema 1 y el sistema 2. Las áreas de los gráficos de radar fueron calculadas dando como resultado el área de impacto ambiental normalizado. El área para el sistema 1 fue de 1.24 u2, mientras el área del sistema 2 fue de 2.83 u2. Los resultados de impacto ambiental normalizado muestran un claro beneficio ambiental de utilizar biodiésel en un porcentaje de 25% en un proceso de generación eléctrica, ya que el impacto ambiental normalizado del sistema 2 fue 2.29 veces el del sistema 1. Esta reducción de impacto ambiental está relacionada con el insumo utilizado para producir el biodiésel, en este caso aceite vegetal usado así como al uso de una tecnología enfocada en la reducción de impacto ambiental como lo es la IPN-GBD-1000®. Con el fin de evaluar el efecto de una variable de tipo económico en el valor de la ecoeficiencia se calculó el costo de producir 1 kWh para ambos sistemas relacionando el consumo y el costo del combustible. Se contemplaron seis escenarios del costo del diésel: i) precio nacional promedio al consumidor de 2017, 2018 y 2019; ii) precio promedio al consumidor en la Ciudad de México de 2017, 2018 y 2019; iii) precio nacional promedio al consumidor del 2019; iv) precio promedio al consumidor en la Ciudad de México del 2019; v) costo de producción nacional promedio en 2015 y vi) costo de producción basado en las cotizaciones de diésel para el año 2016. Mientras que para el precio del biodiésel se tomaron los datos que fueron proporcionados por el LaNDACBio, los cuales contemplan los costos de producción y venta al público. Se consideró un escenario de precio intermedio de compra de aceite en puerta de fábrica. Los resultados obtenidos muestran que la ecoeficiencia del sistema 1 o mezcla B25 fue de 0.1968 kWh/u2$ mientras que la del sistema 2 fue de 0.0693 kWh/u2$ en el caso en que se considera como variable económica el precio al consumidor, lo que representa un incremento de la ecoeficiencia de la mezcla B25 del 183% respecto del diésel de petróleo. Por otro lado, para el caso que contempla el costo del diésel de acuerdo a la estructura de costo utilizada hasta el 2015 la ecoeficiencia fue de 0.1841 kWh/u2$ para el sistema 2 y 0.4380 kWh/u2$ para el sistema 1, lo que representa un incremento del 137.91% de la ecoeficiencia de la mezcla B25 respecto del diésel. Mientras que para el caso que contempla el costo de producción basado en las cotizaciones de diésel en el Golfo de los Estados Unidos a, la ecoeficiencia del sistema 2 fue de 0.3692 kWh/u2$ y de 0.6399 kWh/u2$ para el sistema 1,lo que representa un incremento de la ecoeficiencia del uso de la mezcla B25 del 73.32% respecto del diésel fósil; es decir, en todos los casos la ecoeficiencia del uso de la mezcla B25 es superior a la del diésel fósil en al menos 70% y este valor es afectado principalmente por un menor impacto ambiental del uso del mezcla B25 a pesar de que el precio al público y el costo de producción del diésel fósil sean menores. Por lo que, bajo el escenario actual en México, el estímulo de la producción y uso del biodiésel en mezcla del 25% representa una opción más ecoeficiente que el uso de diésel fósil. ABSTRACT: In this research work, the eco-efficiency of the use of biodiesel produced from residual vegetable oil using the IPN-GBD-1000® technology in a B25 mixture for electricity generation was evaluated and compared with that of fossil diesel. It started from a review of the available methodologies to calculate eco-efficiency in order to generate a particular proposal applicable for the evaluation of biofuel production-use systems based on the simplest definition of eco-efficiency, which is the quotient that results from the estimate of value or utility between environmental impact. From the methodologies studied, the ISO 14045 standard was selected; which in turn uses the ISO 14040 and ISO 14044 standards to calculate the environmental impact with a focus on the product life cycle and the BASF methodology, which proposes a standardization method and easy-to-view tools to report the environmental impact and the eco-efficiency, which are desirable characteristics for a decision maker. The environmental impact assessment was carried out based on the guidelines of the ISO 14040 standard, for which the stages of fuel production and the use of this in an electric generator were considered, with 1 kWh of energy produced as the selected functional unit. The systems evaluated were a mixture B25 (biodiesel-diesel) or system 1 and petroleum or fossil diesel (B0) as system 2. To calculate the environmental impact in the use stage of both systems, an experiment was carried out on a diesel electric generator. of 30 kW of nominal power working at a load of 25 kW (83.33%). The mixtures used (B25 and B0) were characterized by LaNDACBio. For system 1, a 25% biodiesel and 75% diesel mixture was used in an operation lasting 1 hour, measuring CO, CO2 and NOx emissions. Additionally, the fuel consumption of the operation was measured by volumetric difference in triplicate. The data for the life cycle inventory of biodiesel production was provided by LaNDACBio referring to the IPN semi-industrial scale biodiesel production plant located at the CMPL (Mexican Center for Cleaner Production). This production plant uses the IPN-GBD-1000® process which has environmental advantages such as dispensing with the use of process water to purify the product, low energy consumption of the process, use of substances with low environmental impact and the use of vegetable oil. residual as raw material. Regarding the life cycle inventory data for diesel production, the environmental impact results were taken from the GaBI® software database of a diesel production process belonging to the United States of America. The life cycle inventory data for the production and use stages of both systems were fed into the CML 2001 methodology with the assistance of GaBi® software for the categories: global warming potential, acidification potential, eutrophication potential, potential for stratospheric ozone layer depletion, abiotic resource depletion potential, fossil abiotic depletion potential, human toxicity potential and photochemical ozone formation potential. Starting from the environmental impact results of the 8 evaluated categories, the radar graph (environmental impact footprint) was constructed with 8 axes for system 1 and system 2. The areas of the radar graphs were calculated resulting in the normalized environmental impact area. The area for system 1 was 1.24 u2, while the area for system 2 was 2.83 u2. The results of normalized environmental impact show a clear environmental benefit of using biodiesel in a percentage of 25% in an electricity generation process, since the normalized environmental impact of system 2 was 2.29 times that of system 1. This reduction of environmental impact is related to the input used to produce biodiesel, in this case used vegetable oil as well as the use of a technology focused on reducing environmental impact such as the IPN-GBD-1000®. In order to evaluate the effect of an economic type variable on the value of eco-efficiency, the cost of producing 1 kWh was calculated for both systems by relating consumption and the cost of fuel. Six diesel cost scenarios were considered: i) average national consumer price of 2017, 2018 and 2019; ii) average consumer price in Mexico City in 2017, 2018 and 2019; iii) 2019 average national consumer price; iv) average consumer price in Mexico City in 2019; v) average national production cost in 2015 and vi) production cost based on diesel prices for 2016. While for the price of biodiesel, the data provided by LaNDACBio were taken, which contemplate the costs of production and sale to the public. A scenario of intermediate oil purchase price at the factory gate was considered. The results obtained show that the eco-efficiency of system 1 or mix B25 was 0.1968 kWh / u2 $ while that of system 2 was 0.0693 kWh /u2 $ in the case in which the price to the consumer is considered as an economic variable, which represents an increase in the eco-efficiency of the B25 mixture of 183% compared to petroleum diesel. On the other hand, for the case that contemplates the cost of diesel according to the cost structure used until 2015, the eco-efficiency was 0.1841 kWh /u2 $ for system 2 and 0.4380 kWh /u2 $ for system 1, which represents an increase of 137.91% in the eco-efficiency of the B25 mixture compared to diesel. While for the case that contemplates the cost of production based on diesel prices in the Gulf of the United States a, the eco-efficiency of system 2 was 0.3692 kWh /u2 $ and 0.6399 kWh /u2 $ for system 1, which represents an increase in the eco-efficiency of the use of the B25 mixture of 73.32% compared to fossil diesel; that is, in all cases the eco-efficiency of the use of the B25 mixture is higher than that of fossil diesel by at least 70% and this value is mainly affected by a lower environmental impact of the use of the B25 mixture despite the fact that the price at public and the cost of producing fossil diesel are lower. Therefore, under the current scenario in Mexico, the stimulation of the production and use of biodiesel in a mixture of 25% represents a more eco-efficient option than the use of fossil diesel. es
dc.description.sponsorship Centro Mexicano para la Producción más Limpia; Laboratorio Nacional de Desarrollo y Aseguramiento de la Calidad de Biocombustibles; SIP 20202011; SECITI-044-2018 y CONACyT 289559. es
dc.language.iso es es
dc.subject Biodiésel es
dc.subject Tecnología IPN-GBD-1000® es
dc.subject Software GaBi® es
dc.title Evaluación y comparación de la ecoeficiencia del uso de biodiésel en generación eléctrica producido mediante la tecnología IPN-GBD-1000® respecto al diésel fósil es
dc.contributor.advisor Mena Cervantes, Violeta Yasmín
dc.contributor.advisor Bravo Díaz, Brenda


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