Motor de combustión interna: bases y fundamentos. Análisis económico del cambio a GNV (página 2)

La eficiencia o rendimiento (proporción de la energía del combustible que se transforma en trabajo y no se pierde como calor) de los motores diésel dependen, de los mismos factores que los motores Otto, es decir de las presiones (y por tanto de las temperaturas) inicial y final de la fase de compresión. Por lo tanto es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. en los grandes motores de dos tiempos de propulsión naval. Este valor se logra con un grado de compresión de 20 a 1 aproximadamente, contra 9 a 1 en los Otto. Por ello es necesaria una mayor robustez, y los motores diésel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. Esta desventaja se compensa con el mayor rendimiento y el hecho de utilizar combustibles más baratos.

Los motores diésel grandes de 2T suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min) (grandes barcos), mientras que los motores de 4T trabajan hasta 2.500 rpm (camiones y autobuses) y 5.000 rpm. (Automóviles)

Fig.N°23. Motor Diesel antiguo de automóvil seccionado

Fig.N°24. Motor Diesel 2T, Escape y Fig.N°25. Motor Diesel 4T Admisión Simultáneas

• Motor de Dos Tiempos

Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diésel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño.

El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas en la culata, lumbreras, orificios (que quedan expuestos al ir subiendo y bajando el pistón). En los motores de dos tiempos, casi siempre lubricados añadiendo aceite a la gasolina, la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través de la lumbrera de admisión cuando el pistón está en la posición más alejada de la culata. El primer tiempo es la compresión-encendido, en la que se inicia la combustión de la carga de mezcla aire/combustible/aceite cuando el pistón avanza hasta el final del ese tiempo (PMS). Después, el pistón se retira en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara. De los dos procedimientos para el 'barrido' dentro de los cilindros de los motores de dos tiempos, proceso por el cual entra la nueva carga y se expulsan al escape los gases procedentes de la combustión de la mezcla de trabajo, se ha demostrado (SAE) que el llamado: 'barrido en lazo' ('Loop scavenging' en inglés) da siempre mejores resultados que el sistema llamado: 'Unidireccional' ('Uniflow scavenging' en inglés).

• Motor de Cuatro Tiempos

Hacia 1879 Nicolaus August Otto diseñó y construyó un motor con doble expansión, concepto propuesto por los ingleses Jonathan Hornblower y Artur Woolf en 1781, antes de que Watt llevase a la práctica la máquina de vapor. La primera expansión se hacía en el cilindro donde se realizó la combustión, y una segunda en otro pistón, este a baja presión, con el objetivo de lograr el aprovechamiento de la energía de los gases de escape; incluso se han construido motores con triple expansión, como el Troy, y el principio se usó en muchos motores marinos. En 1906 la empresa EHV radicada en Connecticut, EEUU, fabricó un motor de combustión interna de tres cilindros y doble expansión que montaron en un automóvil. Al igual que el motor construido por Otto, cuyo comprador lo devolvió, el motor de EHV no demostró en la práctica las ventajas de menor consumo de combustible esperadas. En España hay dos patentes concedidas de motores con un principio similar, una de 1942 a Francisco Jimeno Cataneo (Nº OEPM 0156621) y otra de 1975 a Carlos Ubierna Laciana (Nº OEPM 0433850), en el INTA se construyó un prototipo de motor de aviación con cilindros en estrella y un principio parecido, ideado por el ingeniero J Ortuño García, patentes 0230551 y 0249247 y al que se atribuyó un consumo muy bajo de combustible, está expuesto en el Museo del Aire en Cuatro Vientos, Madrid. El año 2009, la empresa británica ILMOR presentó en una exposición internacional de motores en Stuttgart, un prototipo de motor de 5 tiempos, según una patente concedida en EEUU a Gerhard Schmitz. Para este motor anunciaron un consumo específico de 215 g/kWh, una relación de compresión efectiva de 14'5/1 y un peso inferior en 20% a los motores convencionales equivalentes

• Motor Wankel

En la década de 1950, el ingeniero alemán Félix Wankel completó el desarrollo de un motor de combustión interna con un diseño revolucionario, actualmente conocido como Motor Wankel. Utiliza un rotor triangular-lobular dentro de una cámara ovalada, en lugar de un pistón y un cilindro.

La mezcla de combustible y aire es absorbida a través de un orificio de aspiración y queda atrapada entre una de las caras del rotor y la pared de la cámara. La rotación del rotor comprime la mezcla, que se enciende con una bujía. Los gases se expulsan a través de un orificio de expulsión con el movimiento del rotor. El ciclo tiene lugar una vez en cada una de las caras del rotor, produciendo tres fases de potencia en cada giro.

El motor de Wankel es compacto y ligero en comparación con los motores de pistones, por lo que ganó importancia durante la crisis del petróleo en las décadas de 1970 y 1980. Además, funciona casi sin vibraciones y su sencillez mecánica permite una fabricación barata. No requiere mucha refrigeración, y su centro de gravedad bajo aumenta la seguridad en la conducción. No obstante salvo algunos ejemplos prácticos como algunos vehículos Mazda, ha tenido problemas de durabilidad.

Fig.N°26. Motor Wankel

• Motor de Carga Estratificada

Una variante del motor de encendido con bujías es el motor de carga estratificada, diseñado para reducir las emisiones sin necesidad de un sistema de re-circulación de los gases resultantes de la combustión y sin utilizar un catalizador. La clave de este diseño es una cámara de combustión doble dentro de cada cilindro, con una antecámara que contiene una mezcla rica de combustible y aire mientras la cámara principal contiene una mezcla pobre. La bujía enciende la mezcla rica, que a su vez enciende la de la cámara principal. La temperatura máxima que se alcanza es suficientemente baja como para impedir la formación de óxidos de nitrógeno, mientras que la temperatura media es la suficiente para limitar las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos.

• Antecedentes del Estudio

Hoy en día el gas natural representa la alternativa energética que está cobrando cada vez más importancia a nivel mundial debido a sus beneficios ambientales, por ser un combustible más limpio que emite mínimas cantidades de dióxido de carbono a diferencia del petróleo y sobre todo por sus beneficios económicos, ya que genera un ahorro significativo como lo demuestran las diferentes industrias que lo vienen utilizando.

El gas natural en la actualidad se utiliza en varios países del mundo, incluso de Latino américa como Argentina, México, Brasil y Colombia que lo utilizan en sus industrias, residencias y por supuesto en transporte. Perú es un país productor de este gas, como lo demuestra Camisea y otras reservas.

• Datos históricos y experimentales

El gas natural se formó hace millones de años cuando las plantas y los pequeños animales de mar fueron enterrados por arena y roca. Las capas de barro, arena, rocas, plantas y materia animal se fueron acumulando hasta que la presión y el calor de la tierra los convirtieron en gas natural que genera calor cuando las moléculas de hidrocarburo se queman en el aire. Se le puede encontrar en rocas porosas de la corteza terrestre y también en yacimientos de petróleo o cerca de ellos, donde se en cuentra petróleo y gas; aunque tomando en cuenta su estado gaseoso, puede presentarse también en yacimientos secos, donde solo se encuentra gas.

Dependiendo de su origen se clasifica en Gas Asociado y Gas No Asociado:

• El gas asociado es el que se extrae junto con el petróleo crudo y contiene grandes cantidades de hidrocarburos como etano, propano, butano y naftas.

• El gas no asociado es el que se encuentra en depósitos que contienen únicamente gas natural.

El gas naturales, como el resto de combustibles derivados del petróleo, una mezcla de diversos hidrocarburo gaseosos y livianos pero gaseosos y livianos. Su componente principal es el metano(CH4), normalmente mayor a 85% o 90% dentro de su composición y es una fuente de energía primaria tal como el carbón y el petróleo.

La cantidad de energía producida por la combustión de un volumen de gas natural se mide en Unidades Térmicas Británicas(BTU). Una BTU representa la cantidad de energía que se requiere para elevara un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua acondiciones atmosféricas normales. El potencial de energía del gas natural es variable y depende de su composición, cuanto mayor sea la cantidad de gases no combustibles que contenga, menos será el valor BTU; además, la masa volumétrica de los diferentes gases combustibles influye sobre el valor BTU, cuanto mayor sea la masa, mayor será la cantidad de átomos de carbono para el gas considerado y por consiguiente, mayor será su valor en BTU.

La combustión del gas natural produce de un 40% a un 45% menos dióxido de carbono que el carbón y de un 20% a un 30% menos que los productor derivados del petróleo. Otra de las características de la combustión de esta fuente de energía es que no emite partículas sólidas ni cenizas y las emisiones de óxido de nitrógeno son inferiores a las del carbón y productos petrolíferos. Asimismo, las emisiones de dióxido de azufre son prácticamente nulas.

Para un gas o mezcla de gas es existen límites muy discretos en que se produce combustión; la amplitud de los límites de inflamabilidad está determinada por muchos factores tales como el índice de reactividad química, la conductividad térmica, la estabilidad del componente combustible, velocidad molecular y calor desarrollado en la reacción. A continuación se muestran los límites de explosividad del gas natural y del gas licuado de petróleo:

• LIE/ LSE Gas Natural: 5 a 15% en volumen de gas de aire

• LIE/ LSEGLP : 2 a 10% en volumen de gas de aire LIE(Límite Inferior de Explosividad)

LSE(Limite Superior de Explosividad)

Por otro lado el poder calorífico de los gases se encuentra en un margen estrecho

en los límites explosivos superiores. El gas natural seco, de acuerdo a sus componentes tiene un poder calorífico de 1000 BTU /pie3.

• Reservas de gas en el Perú

En el Perú, las reservas constituyen un volumen importante en lo que a reservas probadas se refiere; a finales de febrero del 2009 se confirmó un total de 339 mil millones de m3 y está por confirmar se la existencia de 56 mil millones de m3 mas en Camisea, lo que significaría contar en la actualidad con 455 millones de m3.

Fig.N°27. Reservas probadas de gas natural en Perú a inicios de cada año (miles de millones de m3)

Las dos zonas geográficas donde se produce gas natural en el Perú son el noreste y la selva central. Las reservas probadas existentes corresponden a Noreste, Camisea y Aguaytia.

• SITUACION ACTUAL DE LOS COMBUSTIBLES EN EL MERCADO

• PRINCIPALES COMBUSTIBLES USADOS EN EL PARQUE AUTOMOTOR

En la actualidad las principales fuentes para generar energía eléctrica son el petróleo, el carbón y el gas natural. Los dos primeros representan un grave problema ambiental ya que son altamente contaminantes para el ambiente, en cambio el gas natural es un combustible más limpio y representa la solución a los problemas energéticos en muchos países del mundo, ya que se puede usar en las casas, oficinas, vehículos, industrias y plantas de generación de energía.

• Características de los combustibles utilizados en el parque automotor.

En el mercado peruano existen los siguientes tipos de combustibles:

• Gasolina de 84 octanos sin plomo

• Gasolina de 90 octanos sin plomo

• Gasolina de 95 octanos sin plomo

• Gasolina de 97 octanos sin plomo

• Petróleo diésel

• Gas licuado de petróleo

• Gas natural vehicular

La gasolina para autos contiene hidrocarburos de todos los grupos, con temperaturas de ebullición entre los 30 y 205°C, las fracciones componentes de la gasolina de evaporan fácilmente y gracias a ello pueden formar con el aire atmosférico mezcla en diferentes proporciones, denominadas mezclas carburantes; la gasolina es producida mediante mezcla (en proporciones que cumplan la norma técnica) de varias fracciones básicas como, Butano, Nafta ligera, Nafta pesada, Nafta debutanizada, nafta tratada y Nafta reformada.

Los combustibles diésel para uso en motores son mezclas de fracciones destiladas, esencialmente libres de agua y de mineral solido en suspensión.

Los combustibles diésel, de acuerdo a las necesidades de uso se clasifican en tres tipos: diésel N°1, para motores diésel que requieran frecuentes cambios de velocidad y carga, Diesel N°2,para motores diésel de servicio industrial y móvil pesado y el Diesel N°4, para motores diésel de media y baja velocidad. El diésel 2 es el combustible que más se consumó en el país y es utilizado principalmente en el transporte. Su consumo se incrementó en el periodo 1994-1999, registrándose los mayores consumos en los años 1994 y 1995 debido al crecimiento de la generación termoeléctrica a base de este combustible y el aumento de la flota automotriz a diésel como consecuencia de haberse aplicado a menores impuestos que a las gasolinas.

El GLP o gas licuado de petróleo, es una mezcla de hidrocarburo producto de un proceso industrial (fraccionamiento del petróleo local e importado) que a temperatura ambiente y presiones relativamente bajas se encuentra en estado líquido; puede ser almacenado y/o manipulado en fase liquida en condiciones de presión moderadas y a temperatura ambiente. Está compuesto principalmente de propano y de butano, con bajas proporciones de propeno, butenos y de pentanos/pentenos. El GLP no contiene agua libre o agua en suspensión, además el contenido de azufre es inferior o igual a los 200mg por kilo.

El gas natural vehicular (GNV) como se le conoce en Perú al gas natural comprimido (GNC) es una aplicación del gas natural y surge como una alternativa viable para dotar al parque automotor de un combustible limpio y seguro, reduciendo en forma sustancial el volumen de contaminantes que se emiten diariamente.

El gas natural proveniente de Camisea, luego de ser comprimido en las estaciones de servicio es almacenado en cilindros de vehículos especialmente diseñados para tal fin, el GNV fluye en el vehículo desde un cilindro de almacenamiento, a través de la tubería y llega al recinto del motor; en el mismo hay un regulador de presión que reduce la presión a un valor cercano a la presión atmosférica. Luego se mezcla con aire en un mezclador de gas/aire y fluye a través del carburador al motor. Asimismo se dispone de un instrumento electrónico de variación de avance de encendido y mecanismos auxiliares en algunos modelos para prever el funcionamiento adecuado tanto en gasolina como en GNV.

Según los estudios realizados y las pruebas hechas, un vehículo que utiliza gas natural genera ahorro en mantenimiento e incrementa la vida útil de algunos componentes como bujías, sistemas de escape, carburadores y aceites lubricantes. También es cierto que al convertir el vehículo a GNV se pierde un poco de potencia, sin embargo está perdida es ligera y se manifiesta al momento del arranque o en pendientes pronunciadas.

Las principales ventajas del uso del GNV son:

• Menor contaminación ambiental, debido a la ausencia total del plomo, benceno y mínima cantidad de azufre.

• Mayor duración del motor.

• Mayor duración del aceite.

• Seguridad, pues es menos susceptible a accidentes.

• Se puede utilizar en vehículos que operan con gasolina, como consecuencia del montaje de un equipo especial.

A diciembre del 2009 existían 81.029 unidades convertidas al sistema dual para el uso del gas natural vehicular y 94 estaciones de servicio de GNV en Lima y Callao. Asimismo el proyecto "Metropolitano", que es el sistema de transporte público que contara con buses de alta capacidad de movilización de pasajeros, funcionara con gas natural y operara en corredores exclusivos a lo largo de una vía troncal.

A continuación la Tabla 6 muestra los precios al consumidor de los combustibles utilizados en el parque automotor de Lima y Callao, vigentes a diciembre del 2009, donde se visualizan las principales diferencias en los precios.

Precios al público de los combustibles

(*)Expresado en: GNV S/. por m3, GLP S/. por litro.

En el 2013 el gobierno peruano promulgo la Ley n°29969, que promueve la masificación del uso de gas natural en las diversas regiones del país para potenciales consumidores residenciales y vehiculares, priorizando la atención de la población de las zonas de menores recursos económicos mediante el suministro de gas comprimido (GNC), gas natural vehicular (GNV) o gas natural licuefactado (GNL).

El documento aprobado dispone que el Programa de Masificación del Gas Natural para los potenciales consumidores residenciales y vehiculares podrá utilizar los recursos del FISE (Fondo de Inclusión Social Energético) para los objetivos contenidos en el Programa Anual de Promociones del Plan de Accesos Universal a la Energía. Para dicho efecto, agrega, se aprobarán los procedimientos y disposiciones que sean necesarios.

La norma señala, entre otros puntos, que el administrador del FISE y los gobiernos regionales y locales podrán participar en los programas anuales de promoción contenidos en el Plan de Accesos Universal a la Energía para la conversión del parque automotor a GNV, así como para el desarrollo de las instalaciones y conexiones internas de los consumidores residenciales en las regiones atendidas con GNC.

Precisa, además, que los gobiernos regionales y locales, mediante convenio con el Ministerio de Energía y Minas, podrán destinar los recursos necesarios para el desarrollo de las conexiones residenciales e instalaciones internas de acuerdo con el Plan de Accesos Universal a la Energía y a la presente norma.

2.4 CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

Sabemos que en la combustión interna de gases, relacionado en la parte automotriz, genera cierta cantidad de gases contaminantes , que con la idea que tratamos de plasmar en nuestro trabajo, al hacer una conversión al gas natural reduciríamos en cierto porcentaje esta emisión, el cual es uno de ,los objetivos secundarios beneficiosos.

Relacionándolo con la realidad nacional sabemos que en nuestro país rije cierto tipo de normativas que regulan la emisión de este tipo de gases, por lo que consideraremos el siguiente punto.

Normativas de emisiones por países y continentes

Todos sabemos en mayor o menor medida que en la actualidad se están੭poniendo,๡ sea sobre los vehículos diesel o gasolina y de manera general, cada vez más un mayor número de requisitos en cuantoயrmas anticontaminantes೥ refiere, con la entrada por ejemplo de la normaŵro VI,ଡ cual introduce importantes cambios para reducir la emisión de gases contaminantes a la atmósfera y un mayor control sobre las emisiones que produce.

Podemos pensar que aனvel internacionalॸiste un࣯nvenio௠un tipo de normas que controle estas emisiones en global, al igual que ocurre con las normas Euro, pero lejos de ser así, en cada zona o país se establecenऩstintos tipos de normas anticontaminaciónॠincluso en algunos lugares simplemente, no existen o están bien lejos de estar al nivel europeo. Pero ¿por qué ocurren estas grandes diferencias en materia de control de gases contaminantes y contaminación?.

2.4.1 PRIMERAS NORMAS ANTICONTAMINACION

Fig.N°28. Evolución Tecnológico del Parque

Lasలimeras normas anticontaminaciónඩenen impuestas por el gobierno americano y se inician en el período de finales de los años 70 en losŅ.UU.డra frenar de alguna manera los gases nocivos que producían los automóviles. Con ello los fabricantes han de empezar a੮vertir࣡da vez más en un aumento de la tecnologíaथ sus modelos, con la introducción de las primeras centralitas electrónicas analógicas que controlaban el flujo del caudal de combustible y como consecuencia, los gases emitidos.

En Europa,ଡs normasŵro঵eron creadas en el año 1987 y aprobadas como medida de control en materia de contaminación, de obligado cumplimiento para los fabricantes de vehículos desde su introducción en el año౹93๠se han ido actualizando periódicamente con nuevos requisitos para poder disminuir tanto la cantidad como el tipo de gases contaminantes emitidos a la atmósfera.

El coste material y económico de aplicar mayores restricciones sobre las emisiones se traduce en mayores inversiones८ investigación, desarrollo y tecnología en la fabricación de los distintos vehículos por parte de los fabricantes automovilísticos y en un coste final económico más elevado para el cliente como consecuencia de un८carecimiento೯bre el producto, el automóvil.

Cuando se observa sin embargo el༢>mapa mundial༯b>con las distintas separaciones respecto a las normas anticontaminación, ya sean Euro, americanas o cualquier otra norma diseñada por los distintos gobiernos, se observa una༢>completa disparidad,༯b>tanto de países que cumplen dichas normas como los que no lo hacen. Por poner un claro ejemplo, en la zona europea podemos observar que la norma Euro V es la estándar menos en la zona de los Balcanes en donde lo es la Euro II.

Fig.N°29.

Si seguimos observando con algo de más detenimiento podremos darnos cuenta de una manera rápida en qué༢>países༯b>todavía se sigue༢>sin implantar las nuevas normas más estrictas.༯b>De una manera generalizada se observan༢>dos tipos distintos de países en los que no se rigen por las normas anticontaminación más modernas, aquellos en los que están༢>en vías de desarrollo༯b>y otro tipo en los que basan su༢>principal economía en los hidrocarburos.༯b>Estos países se rigen todavía por normas anticontaminación anticuadas༯b>como lo pueden ser la Euro I o Euro II, unas normas que cabe que recordemos que su introducción datan, respectivamente, de los años 1993 y 1996-1997.

Esto nos hace༢>reflexionar༯b>al respecto, ya que si bien existen multitud de países que intentan frenar de manera alguna la contaminación con un escrupuloso cumplimiento, hay otros en los que todo esto queda de lado, apartado quizás por la falta de infraestructuras necesarias para poder cumplirlas o quizás, por una economía que se basa en un abuso literal respecto a los hidrocarburos.

En el primer caso, aquellosడíses en vías de desarrollo,ॳtá justificada de alguna manera que dichas normas estén cuanto menos obsoletas. Si ya debe ser complicado poder sobrevivir en un entorno como ése, no se puede exigir que se cumplan las normas anticontaminantes como se hacen en los países industrializados, en los que cada familia tiene dos, tres e incluso cuatro vehículos por casa.

Tenemos que tener presente que laಥducciónथ los gases contaminantes influye directamente al࡬za en el precio finalथl automóvil o vehículo, y que en estos países en vías de desarrollo, como por ejemplo Egipto, un automóvilॳ ante todo unaਥrramienta࣯n la que poder trabajar, una herramienta que sea sencilla, simple, fiable y robusta.

Hay༢>otros países༯b>que no podrían llamarse tercermundistas como en el anterior caso, pero en los que la gasolina y los༢>hidrocarburos༯b>son la༢>principal motorización de la economía del país.༯b>En este caso podemos hablar de Venezuela junto a otras zonas como la saudí o los países ex-satélites de la ya desintegradaՒSS, todos ellos caracterizados por ser༢>países productores de crudo༯b>y de sus productos derivados como lo puede ser el gas, fuel, etc.

En EL Perú se usa este cuadro con respecto al control de emisión

de gases

Fig.N°30. Vehículos de Pasajeros PBV

CAPITULO III

Variables e hipótesis

• Variables de la investigación

• Variables de la investigación

• Variable independiente

• Ahorro en costos por funcionamiento del MCI

• Variables dependientes

• Tipo y propiedades del combustible

• Antigüedad de los motores de combustión interna

• Tipo de mantenimiento

• Hipótesis de la investigación

• Hipótesis general

En la actualidad no se aprovechan las ventajas económicas y ecológicas de usar un combustible limpio y abundante en nuestro país como lo es el gas natural, por lo anterior escrito este trabajo propone la conversión a GVN de los motores gasolineros y expone el ahorro en costos por operación del motor convertido.

• Hipótesis especificas

• El elevado precio de la gasolina en comparación con combustible limpio, el GNV.

• El precio que cuesta convertir un motor que funciona a gasolina, para que funcione a GNV.

CAPITULO IV

• METODOLOGÍA APLICADA

• Tipo de investigación

Según el objeto de estudio es una investigación aplicada ya que busca el conocer para actuar, buscando soluciones y utilizando referentes teóricos ya existentes para determinar cómo son usados los procesos de combustión en la perforación y extracción de petróleo y de qué manera

4.2 Análisis técnico y económico para la conversión de vehículos.

No todos los automóviles pueden convertirse a gas natural, esto dependerá básicamente del tipo de motor que tengan. Asimismo es importante que el automóvil que se pretenda transformar este en buenas condiciones de funcionamiento, especialmente en el encendido e instalación eléctrica.

Un auto con motor gasolinera si podrá convertirse a GNV, ya que solo deberá adquirir el tanque de almacenamiento de gas natural, de esta forma se tendrá un sistema dual que permitirá utilizar gasolina y gas natural. Un auto con GLP no podrá transformarse debido a que las condiciones de trabajo de cada equipo son diferentes, por ejemplo, para el GLP la presión de almacenamiento es de 7 bar mientras que en los cilindros de vehículos convertidos para usar GNV este es almacenado a 200 bar de presión, adicionalmente todos los demás componentes del equipo completo de conversión están diseñados para diferentes presiones de trabajo.

4.2.1Conversión a GNV según tipo de motor.

Los motores de combustión interna de encendido por chispa (MCI-ECH), cuyo combustible inicial es la gasolina, se pueden convertir para que utilice gas natural, para ello se deberá instalar equipos que puedan almacenar el gas a la presión de 200 bar, reducir su presión y acondicionamiento (entregar calor), conducirlo a través de mangueras hasta el mezclador e instalar una toma de aire u otro medio que es ubicado después del filtro del carburador o múltiple de admisión.

Por lo general, los vehículos que utilizan gasolina como combustible, son aquellos que se denominan ligeros o medianos y son de uso intensivo en la ciudad. El sistema que utilizan estos vehículos después de la conversión, es el sistema biocombustible (Bi-fuel), que es el conjunto de elementos (que constituyen un equipo completo de conversión) que hacen posible que pueda operarse el vehículo con gasolina según su diseño original o alternativamente con GNV. Este sistema consiste en el uso del propio motor con un carburador para gas natural o un sistema de inyección de combustible gaseoso, en adición al carburador regular o sistema Fuel Inyección.

Figura 28: Vehículos a gasolina

Los componentes del equipo completo de conversión deben cumplir desde el punto de vista de su fabricación y seguridad con los requisitos y ensayos especificados para cada uno de ellos en las Normas Técnicas respectivas.

Figura 29: Componentes principales del kit de conversión a gas natural

Los componentes del kit de conversión a gas natural, se listan a continuación:

• Tanque o cilindro

• Dispositivo de sujeción

• Regulador

• Válvula de cilindro

• Variador de avance

• Mezclador

• Manómetro metano

• Conmutador

• Válvula de carga

• Reductores

• Regulador de alta

• Electro válvula de nafta

• KIT de elementos de fijación y conexión

• KIT de mangueras de conexión

• Caño de alta presión

• Llave de conmuta. c/ índice de carga y cableado eléctrico

• Emulador de inyección

Para mayor detalle en el Anexo 1 se muestran los componentes principales de sistemas de conversión de GNV y GLP para vehículos de transporte de pasajeros.

También es importante resaltar que el equipo de conversión varía si el motor es carburado o inyectado.

Tabla 30: Componentes Principales del Kit de conversión a gas natural Fuente: Conversión de vehículos GNV – Expo Perú GNV 2012

Todo vehículo a ser convertido a GNV para aprovechar al máximo los beneficios brindados por este combustible deben encontrarse en buen estado de funcionamiento (compresión en los rangos recomendados por el fabricante, bujías en buen estado, etc.) de lo contrario estos beneficios no serán plenamente percibidos; al no estar el motor de un vehículo gasolinera diseñado específicamente para funcionar con GNV (o cualquier otro combustible gaseoso) se da una disminución en la potencia del mismo, llegando a ser imperceptible cuando el vehículo se encuentra en buen estado mecánico y el equipo completo de conversión es el adecuado para el vehículo.

Actualmente hoy en día también existen vehículos con motores dedicados, que son aquellos que sólo funcionan con gas natural, estos vehículos son producidos por los fabricantes originales o son resultado de conversiones para vehículos particulares (livianos) y de carga (pesados).

En los vehículos ligeros o medianos, un motor dedicado a gas natural no difiere mucho en cuanto a medidas, peso, construcción o requerimientos de materiales de un motor a gasolina; los principales esfuerzos enfocados al desarrollo de estos motores están dirigidos hacia la optimización de las siguientes características:

• Incrementar la relación de compresión.

• Combustión con mezcla pobre.

• Control de la inyección de combustible y de la relación aire-combustible.

• Ajuste del tiempo de ignición.

• Control catalítico de emisiones.

• Sensores del contenido de oxígeno en el escape.

En los vehículos de carga, estos desarrollos están enfocados a la conversión de motores diesel, bajo las siguientes características.

• Utiliza un sistema de encendido eléctrico y bujías, que opera sólo con gas natural.

• El motor tiene que ser convertido a la operación con el ciclo Otto, además del uso de ahogamiento de la carga de admisión y encendido por chispa.

• El gas natural es introducido dentro del múltiple de admisión usando un mezclador o sistema de inyección (tal como una conversión Dual-Fuel).

• El sistema de inyección diesel es removido completamente.

• La relación de compresión es aumentada de 15:1 a 19:1, para eliminar el golpeteo causado por el gas natural.

• Las relaciones aire-combustible son potencialmente pobres.

• Este tipo de motor se está desarrollando bajo dos tendencias principales, una es la combustión con mezcla pobre y la otra es la combustión estequiometria.

• Para la optimización de estos motores se están investigando las siguientes áreas específicas, el perfil de la cámara de combustión, sistemas de manejo electrónico del motor, Ignición por compresión, Sistemas de inyección de gas.

Las desventajas del uso del gas natural vehicular son, como se mencionó anteriormente la pérdida de potencia (10% aproximadamente), pérdida de espacio por el tanque o cilindro de almacenamiento de gas y modificación del diseño original del vehículo: arreglo en los frenos y suspensión por el peso del/los cilindro(s) y combustible.

• Etapa de pre conversión a gas natural.

Antes de las pruebas de pre conversión, se debe identificar plenamente el vehículo en cuanto a las disposiciones legales establecidas por las entidades competentes:

• Información del vehículo: se debe establecer claramente si el vehículo conserva sus características generales de fábrica o ha sufrido modificaciones luego de su salida de la línea de ensamble. Esta identificación de las características del vehículo permitirá definir si la conversión por ejecutar corresponde a uno de los procesos estándar definidos por el taller de conversión, para las diferentes marcas y modelos autorizados por la entidad competente.

• Inspecciones visuales: donde se verifica el estado del chasis, pisos, carrocería, funcionamiento del sistema de suspensión, identificación de posibles piezas defectuosas o dañadas, sistema de escape, sistema de enfriamiento del motor. Se determina si todos los componentes pueden ser instalados en lugares accesibles y seguros, se inspecciona la ubicación de los tanques de gasolina, aire o agua, o cualquier otro depósito de almacenamiento, además se verifica si la bomba de gasolina es sumergible y ubicación de las baterías.

• Parámetros de referencia: tanto para las inspecciones como para las pruebas de pre-conversión, el taller de conversión debe establecer para cada tipo de vehículo (marca y modelo) los parámetros o valores contra los cuales se efectúa la verificación de los diferentes apartados indicados en la norma técnica. Estos parámetros serán definidos a partir de las especificaciones del fabricante del vehículo.

Después de la identificación del vehículo recién se procede a la pruebas de Pre conversión que se listan a continuación y se detallan en el Anexo I:

• Verificación de estado y carga de batería.

• Verificación del control y estabilidad del sistema de carga eléctrico.

• Verificación del estado mecánico del motor.

• Verificación de la existencia de fugas en el múltiple y conductos de admisión.

• Verificación del estado y funcionamiento del sistema de encendido.

• Verificación del estado y funcionamiento del sistema de control en marcha mínima.

• En sistemas carburados, verificación del estado y ajuste de la(s) mariposa(s) y bujes del acelerador y agujeros de mínima en el chicler, verificación del estado de la empaquetadura del carburador, de la carcasa del filtro de aire y del filtro de aire.

• En sistemas inyectados, verificación de estado y funcionamiento del sistema de combustible, análisis de gases y revisión del sistema de refrigeración.

Finalmente el resultado de la evaluación debe arrojar alguna de las siguientes calificaciones: Vehículo apto para convertir o Vehículo rechazado técnicamente para convertir.

4.2.3 Montaje de equipos completos en vehículos a gas natural vehicular.

Como referencia normativa está la NTP 111.015.2004 que establece los requisitos para la instalación de los componentes del equipo completo para vehículos cuyos motores funcionan con gas natural comprimido (GNV) o bi–combustible (Bi-fuel) y los ensayos y verificaciones a los vehículos implementados con estos equipos para GNV.

La NTP 111.015.2004 se puede visualizar en el Anexo II. A continuación se listan los principales puntos que considera para la instalación del equipo completo para GNV en vehículos:

• Instalación del cilindro

• Instalación de tubería del sistema de alimentación

• Instalación del regulador de presión

• Instalación de válvulas

• Instalaciones eléctricas

• Instalación del selector de combustibles

• Instalación del dispositivo electrónico de avance de encendido

• Instalación del indicador de presión

• Instalación de la interfaz para el sistema de información

• Instalación de componentes del sistema de Inyección

• Ensayos a realizar en el taller de montaje

4.2.4 Etapa de post conversión a gas natural.

Al igual que en la etapa de pre conversión, se deben realizar varias inspecciones a las que se le denomina inspecciones de post conversión, los resultados de estas inspecciones se registran y archivan. En las inspecciones de post conversión, se realiza la verificación del proceso de conversión y las pruebas de post conversión.

La verificación del proceso de conversión consiste en:

• Verificación de la sujeción de los cilindros.

• Verificación del ajuste y aseguramiento de toda la línea de gas.

• Verificación del trazado de ruta y acople de las mangueras de calefacción.

• Verificación del trazado de ruta y acople de las mangueras de gasolina.

• Verificación de ajuste e instalación de los diferentes componentes, válvulas y regulador.

• Verificación del fácil acceso y buen accionamiento de las válvulas manuales del cilindro y del sistema de llenado.

• Verificación de la inexistencia de fugas de gas natural en el sistema.

• Verificación del funcionamiento eléctrico de la llave conmutadora.

• Verificación del funcionamiento correcto del variador de avance y emuladores. Las pruebas de post conversión consisten en:

• Verificación de la velocidad de marcha mínima.

• Verificación del comportamiento en aceleración en vacío.

• Verificación del funcionamiento del sistema secundario de encendido.

• Verificación del comportamiento del avance.

• Prueba de ruta.

• Vehículos a inyección.

Los resultados de la evaluación de pre-conversión y post-conversión, deben registrarse en el formato de registro preestablecido por el taller de conversión, debidamente firmado por la persona que efectuó la evaluación y las instancias de revisión y aprobación que se definan, posteriormente deben ser archivados.

4.2.5 Requisitos de proveedores de equipos completos (PEC) para GNV.

Se entiende por equipo completo para la conversión de automotores a gas natural vehicular al conjunto que involucra el cilindro, el dispositivo de sujeción y los componentes de conversión (kits).

Actualmente existen requisitos para registrarse como proveedor de equipos completos (PEC).

A continuación se mencionan los principales:

• Los PEC para gas natural vehicular están sujetos a la inscripción al RPIN (Registro de Productos Industriales Nacionales).

• Será responsabilidad del PEC, todas las piezas del componente de conversión (kit), que deberán corresponder a un sólo fabricante o proveedor. El cilindro puede ser de un fabricante diferente.

• El PEC es responsable de presentar los certificados de conformidad de, por lo menos, el cilindro y el regulador de presión, para demostrar la conformidad con las normas técnicas correspondientes.

• El PEC deberá inscribir en la Dirección de Normas Técnicas y Supervisión Industrial todos los modelos y marcas de equipos completos a comercializar, para lo cual llenará el formato correspondiente. Esta información deberá ser presentada cada vez que se requiera comercializar una nueva marca y modelo.

• Posterior a la inscripción al RPIN y cada vez que el PEC requiera comercializar equipos completos deberá presentar a la Dirección de Normas Técnicas y Supervisión Industrial una solicitud firmada por el representante legal.

• El PEC deberá comunicar a la Dirección de Normas Técnicas y Supervisión Industrial la relación de talleres de conversión que se encuentran bajo su competencia.

Los certificados deberán cumplir con las condiciones siguientes:

• Para los cilindros, el certificado de conformidad debe estar acorde con los requisitos establecidos en la NTP 111.013.2004 "Cilindros de alta presión para almacenamiento de gas natural utilizado como combustible para vehículos automotores".

• Para los reguladores el certificado de conformidad debe estar acorde con los requisitos establecidos en la NTP 111.014:2004, "Componentes del equipo de conversión para vehículos que funcionan con gas natural vehicular (GNV)".

• Los certificados de tipo, lote o marca de conformidad, deberán ser expedidos por Organismos de Certificación autorizados por la Autoridad Administrativa o por Organismos de Certificación acreditados ante la autoridad Nacional de Acreditación.

A la fecha los principales proveedores de equipos de conversión son:

• MOTORES DIESEL ANDINOS S. A.

• INDUSTRIAS RICHTER S.A

• NOVATRANS S.R.L.

• ITALNORD MECÁNICA S.R.L.

• PERUANA DE GAS NATURAL S.A.C

• GNV PERÚ S.A.C.

• Costo de inversión

El costo de inversión corresponde al costo de conversión del vehículo a GNV y está determinado por el tipo de vehículo, si es gasolinero o diesel y si el motor es carburado o inyectado.

El costo de conversión, el cual varía dependiendo del tipo de vehículo, comprende:

• El kit de conversión

• Cilindro (s) de almacenamiento de GNV

• Servicio de instalación en el taller de conversión (mano de obra)

La Tabla 20 muestra cómo se distribuye el costo de conversión por tipo de vehículo.

Tabla 31: Distribución de costos de conversión por tipo de vehículo

Fuente: Conferencia Expo Perú GNV 2012 – ponencia MODASA

La Tabla 21 muestra los costos estimados de conversión por tipo de vehículo.

Tabla 32: Costos estimados de conversión por tipo de vehículo

Fuente: Cámara peruana de Gas Natural vehicular

4.2.6 Costos de operación

El costo de operación corresponde al costo de operación utilizando GNV en lugar del combustible tradicional; no se evaluará el impacto del mantenimiento y otros, a fin de concentrarse sólo en el GNV.

Los precios de los combustibles a junio de 2014, se muestran en la Tabla 22, donde se puede observar que, entre todos los combustibles, además del GNV el más económico es el GLP, ya que no tiene impuesto selectivo al consumo.

Tabla 33: Precios al consumidor de combustibles.

(*)Expresado en: GNV S/. por m3, GLP S/. por litro.

Fuente: OSINERGMIN

A diferencia del resto de combustibles, el gas natural vehicular (GNV) tiene una estructura de precios diferente por encontrarse en otra categoría (categoría tarifaria D), la cual es independientemente del consumo promedio mensual.

La estructura de su precio se muestra en la Tabla 23.

Tabla 34: Estructura de precios del gas natural al 2012

Fuente: Memoria 2012 CALIDDA

El GNV tampoco tiene impuesto selectivo al consumo y cabe aclarar que hasta el valor de

S/. / MMBTU, el precio está regulado, pero puede llegar al consumidora cualquier precio siempre y cuando sea competitivo. El precio al consumidor del GNV se encuentra en 1.55 S/./m3, lo que equivale aproximadamente a 4.94 S/. por galón, considerando que un galón de gasolina de 90 octanos equivale aproximadamente a 3.2 metros cúbicos.

Considerando este valor en el precio del GNV, la Tabla 24 muestra el ahorro que genera el uso del gas natural vehicular frente al uso de los demás combustibles, donde se observa que este ahorro corresponde al 62% en promedio.

Tabla 35: Ahorro de precios del gas natural frente a otros combustibles

Fuente: Ministerio de Energía y Minas y OSINERG

La Tabla 25 muestra el ahorro que genera el uso de GNV frente a la gasolina de 90 Octanos, considerando los siguientes parámetros:

• Precio de gasolina de 90 Octanos: 14.70 S/. / Galón

• Precio del GNV: 4.94 S/. / Galón

• Rendimiento promedio: 40 Km/Galón

Tabla 35: Ahorro anual por conversión a GNV respecto a la gasolina de 90

Fuente: Ministerio de Energía y Minas y OSINERG

Debido al costo inferior del gas natural en el mercado, su utilización genera un ahorro económico significativo.

CAPÍTULO V

Impactos económicos

La conversión gradual del parque automotor de Lima y Callao hacia un combustible más limpio y económico como el GNV, sin duda tiene un impacto positivo tanto ambiental como económico, ya que el gas natural es más barato que el resto de combustibles y es más limpio.

• Ahorro generado por cambio de combustible a GNV

De acuerdo a la estimación realizada en el capítulo 3, donde se observa la cantidad de vehículos convertidos a GNV por año, a continuación se procederá a estimar el ahorro por el cambio de combustible de gasolina de 90 a gas natural. Para ello se tomará en consideración la información de la Tabla 28 donde se muestra la cantidad de kilómetros recorridos según el tipo de uso de un vehículo y de la Tabla 28 que muestra la información necesaria para la estimación de los ahorros.

Tabla 36: Información necesaria para estimación de Ahorros.

La Tabla 28 muestra el ahorro estimado hasta el 2020, por cambio de combustible; los cálculos por año están ajustados por el tipo de cambio e inflación.

Tabla 37: Ahorro estimado hasta el 2020.

• Costo de conversión de vehículos a GNV

De acuerdo a los resultados del análisis de regresión para la estimación de los vehículos convertidos a GNV al 2020, se estima que existen 303,333 unidades de vehículos que se convertirán en el periodo del 2010 al 2020. Asimismo de acuerdo a la información de la Cámara Peruana de Gas Natural Vehicular (CPGNV), el 76% de las conversiones realizadas se realiza con financiamiento mientras que el 24%, sin financiamiento.

La Figura 38 muestra la proporción de los vehículos convertidos a GNV con y sin financiamiento al 2020.

Vehículos convertidos a GNV al 2020

Sabiendo que el costo estimado de conversión a GNV se encuentra entre $1,300 y $1,800, la Tabla 29 muestra la estimación del costo mínimo y máximo de conversión del total de las 303,333 unidades a convertirse hasta al año 2020; los cálculos por año están ajustados por el tipo de cambio e inflación.

Tabla 39: Cantidad de vehículos convertidos por año

• Evaluación económica de los agentes que participan en la conversión a GNV

A continuación se realizará la evaluación económica de la conversión a gas natural vehicular de cuatro escenarios donde se determina el beneficio económico a través del valor presente neto del flujo de caja de cada escenario.

• Escenario vehículos privados

Este escenario considera los vehículos que son de uso privado y que serán convertidos a gas natural vehicular en los próximos 10 años El flujo de caja considera los siguientes parámetros:

• Ahorro generado por el cambio de combustible de gasolina a gas natural

• Costo de conversión de vehículos a gas natural vehicular.

La Tabla 30 muestra el valor mínimo y máximo de los parámetros ahorro por cambio de combustible y costo de conversión de vehículos y la Tabla 31 muestra el valor presente neto en los próximos 10 años.

Tabla 40: Valores mínimos y máximos de los parámetros ahorro por cambio de combustible

Como se observa en la Tabla 31, en este escenario no hay un beneficio económico debido a que el ahorro anual que genera un vehículo por el cambio de combustible a gas natural es menor que el costo de la conversión del vehículo, ya que la cantidad de kilómetros que recorre por día es relativamente baja.

Tabla 41: Valor presente neto – Escenario vehículos Privados