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Combustibles sintéticos para aviación
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GREGORY HEMIGHAUS es científico de Chevron Global Aviation. Ofrece respaldo técnico a las actividades de refinamiento y comercialización de Chevron para combustible para aviones y gasolina para aviación. Ha sido miembro del ASTM D02 desde 1989 y miembro del D02.J0 durante los últimos ocho años.

Combustibles sintéticos para aviación

por Gregory Hemighaus

El combustible para aviones fabricado a partir de carbón con la síntesis de Fischer-Tropsch en la actualidad es provisto por su productor Sasol, al aeropuerto de Johannesburgo, Sudáfrica y está siendo utilizado por todos los aviones comerciales que pasan por este aeropuerto. El Subcomité D02.J0 sobre Combustibles para aviación, parte del Comité D02 sobre Productos de petróleo y lubricantes, aprobó este combustible con la revisión de la norma D 1655, Especificación para los combustibles para turbinas de aviación, al permitir hasta un 50% de mezcla con combustible derivado del petróleo para aviones.

La síntesis FT se conoce desde hace décadas. Fue desarrollada en las décadas del 20 y el 30, y fue utilizada por Alemania para producir combustible durante la Segunda Guerra Mundial. Más recientemente, Sasol ha utilizado el proceso FT para producir combustibles sintéticos en Sudáfrica.

Cuando las restricciones de combustible para los aviones en el aeropuerto internacional de Johannesburgo se tornaron una preocupación, Sasol se acercó a las autoridades aeronavales para obtener la aprobación del uso del combustible sintético FT. Después de una cuidadosa revisión, se otorgó la aprobación en 1999 para mezclas de hasta un 50 por ciento de combustible sintético con combustible convencional para aviones. Desde entonces, el combustible sintético FT ha sido utilizado rutinariamente en Johannesburgo, aunque la mayoría de los lotes de combustible contiene menos del 50% de combustible sintético permitido por la especificación.

El proceso de aprobación fue realmente un esfuerzo internacional de la industria de la aviación, liderado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido. La aprobación de un combustible para aviones 100% sintético producido por Sasol está próxima a concretarse.

Con excepción de Sasol, el proceso FT no ha sido ampliamente utilizado para producir combustibles sintéticos porque el proceso es más costoso que refinar petróleo. Sin embargo, recientes incrementos en el precio del petróleo crudo, mejoras en el proceso FT y el deseo de utilizar grandes cantidades de gas natural “varado” han causado el resurgimiento del interés en este proceso para producir combustibles sintéticos.

El Coordinating Research Council está desarrollando un protocolo de aprobación del combustible sintético, que será adoptado por el D02.J0. El objetivo es definir un proceso genérico de modo que los productores de combustible sintético sepan exactamente qué demanda la aprobación de sus combustibles sintéticos para el uso en la aviación. Afortunadamente, la adopción de este protocolo de aprobación estimulará el uso extendido de combustible sintético para aviones.

Para evitar la aprobación de productor a productor, el Subcomité D02.J0 también está desarrollando una lista de propiedades del combustible para aviones que puede agregarse a la especificación de combustible para aviones, esto garantizará que los combustibles sintéticos para aviones sean aceptables independientemente del productor y las variaciones de los métodos de producción.

¿Qué es Fischer-Tropsch?
La síntesis Fischer-Tropsch convierte una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, conocida como gas de síntesis, en hidrocarburos con mayor peso molecular. Puede considerarse como una polimerización catalítica del monóxido de carbono, acompañada de la reacción con hidrógeno para hacer unidades de metileno CH2 de parafinas.

CO + H2 -(CH2)n- + H2O

Debido a que la síntesis FT comienza con monóxido de carbono, potencialmente puede utilizarse cualquier fuente de carbono. Las primeras plantas FT utilizaron carbón como materia prima, esta conversión se llama carbón a líquidos. La CTL (carbon to liquids – carbón a líquidos) está despertando un interés renovado en la actualidad en China y en los EE.UU., aunque no se han construido plantas de CTL nuevas en esos países.

La actual generación de plantas FT utilizará gas natural como materia prima, esta conversión se llama gas a líquidos o GTL (gas-to-liquids). La biomasa también puede utilizarse como materia prima después de un paso de gasificación para producir gas de síntesis, este proceso se llama conversión de biomasa a líquidos o BTL (biomass-to-liquid). Los líquidos FT producidos a partir de cualquier materia prima son esencialmente los mismos, ya que la conexión con la materia prima se pierde durante la conversión a gas de síntesis.

El proceso FT produce principalmente cadenas de hidrocarburos rectas. La composición del producto variará algo según la relación hidrógeno a monóxido de carbono, y también según el catalizador y las condiciones de proceso. Este producto crudo de la síntesis FT debe procesarse aún para que el combustible sea aceptable. Este procesamiento incluye romper las largas cadenas en unidades más pequeñas y reacomodar algunos de los átomos (isomerización) para brindar las propiedades deseadas. Este proceso de mejora produce un material de amplio rango de ebullición, que luego se destila para obtener los productos finales.

El proceso FT da como resultado un producto virtualmente libre de compuestos aromáticos. Existen dos desventajas al no haber aromáticos en el combustible. En primer lugar, el kerosén de FT que cumple con todas las otras propiedades en la especificación de combustible para aviones estará por debajo del requerimiento mínimo de densidad. Segundo, los aromáticos en el combustible convencional hacen que algunos tipos de elastómeros utilizados en los sistemas de aviación se hinchen. Existe preocupación en la industria por el cambio de combustible tradicional a combustible sintético de FT libre de aromáticos, ya que podría hacer que algunos de estos elastómeros se encogieran, lo que ocasionaría pérdidas de combustible. El efecto de los aromáticos sobre los elastómeros es un área de intensa investigación en la industria.

Estas dos desventajas desaparecen cuando el combustible sintético se mezcla con el combustible para aviones convencional. El combustible convencional para aviones provee los aromáticos que hacen que el elastómero se hinche y también aumentan la densidad del combustible para que cumpla con el requisito mínimo. La industria está utilizando un 8 por ciento de contenido de aromáticos como mínimo orientativo. Este mínimo se basa principalmente en la experiencia y puede ser revisado en el futuro, sufriendo incrementos o reducciones, según nuevos datos.

La industria de la FT parece estar al borde de un período de expansión. Varias empresas importantes han anunciado planes para construir grandes plantas, que en caso de concretarse, podrían rendir alrededor de 1 millón de barriles por día de producto total para el 2020, parte de los cuales podrían utilizarse como combustible para aviación.

¿Por qué los combustibles sintéticos necesitan una aprobación especial?

Las especificaciones para el combustible para aviones no son verdaderas especificaciones, se basan en la experiencia con combustible para aviones derivado del petróleo, en consecuencia, las especificaciones incluyen suposiciones implícitas que los combustibles convencionales para aviones cumplen. Por ejemplo, debido a que las especificaciones limitan la concentración máxima de aromáticos, pero no especifican un mínimo, un combustible con cero aromáticos cumpliría con esta parte de la especificación.

Debido a que los combustibles para aviones con alto contenido de aromáticos no combustionan tan limpiamente como aquellos con un contenido más bajo de aromáticos, las especificaciones incluyen una concentración máxima de aromáticos para limitar este efecto. Históricamente, no ha habido necesidad de definir una concentración mínima de aromáticos porque el kerosén derivado del petróleo refinado convencionalmente tiene una gran concentración de aromáticos, por lo general entre 8 y 22 por ciento por volumen.

El rango de ebullición es otro ejemplo de las suposiciones implícitas en las especificaciones del combustible para aviones. Las especificaciones incluyen un límite máximo de 205°C en el 10% del punto de ebullición y un límite máximo de 300°C en el punto de ebullición final. Un componente con un punto de ebullición de 200°C o menos, cumple con el requisito de destilación, sea o no la intención o expectativa de la especificación.

El procesamiento típico en una refinería producirá combustibles con una suave distribución del rango de ebullición. Históricamente, todos los combustibles utilizados en la prueba y desarrollo de motores han tenido esta propiedad. Por lo tanto, las especificaciones incluyen solo límites mínimos para las propiedades de destilación, y la industria confía (por su conocimiento y experiencia) en que el combustible para aviones derivado del petróleo procesado convencionalmente tendrá la suave distribución del rango de ebullición deseada.

Cuando se consideran los combustibles sintéticos, estas suposiciones implícitas deben ser reconocidas. El combustible en cuestión debe cumplir con el requisito último (combustible para aviación que se adapte al propósito) además de cumplir lo que indican las especificaciones, que fueron desarrolladas para el uso con combustible derivado del petróleo.

En la actualidad, existe solo un combustible no convencional aprobado para el uso en aviación. El kerosén sintético FT producido a partir de carbón por Sasol en Sudáfrica puede mezclarse con combustible tradicional para aviones hasta en un 50% por volumen (combustible semi-sintético para aviones). Esta aprobación, que está escrita tanto en la norma del Ministerio de Defensa del Reino Unido como en las especificaciones de ASTM, fue otorgada sólo después de realizarse pruebas extensas para determinar si el combustible mezclado cumplía con el requisito de ser apto para el propósito.

Algunas de las propiedades probadas del combustible fueron la constante dieléctrica, la conductividad térmica, el calor específico, los módulos a granel, la solubilidad en el aire, la tensión superficial, la estabilidad térmica y en almacenaje, la solubilidad de aditivos y su eficiencia, y la compatibilidad con los elastómeros. Esta es sólo una lista parcial de las pruebas realizadas para garantizar que ninguna de las suposiciones implícitas en la especificación fuera violada y que el combustible semi-sintético fuera apto para el propósito.

La aviación comercial está trabajando estrechamente con las Fuerzas Armadas de los EE.UU en combustibles FT

El Ministerio de Defensa de los EE.UU. está a la cabeza en cuanto actividades sobre combustibles sintéticos FT, impulsado principalmente por la seguridad energética. En 2006, la Fuerza Aérea realizó un vuelo de prueba de un B-52 utilizando una mezcla de 50% combustible sintético con combustible convencional para aviones. El Ministerio de Defensa planea comprar 200 millones de galones de combustible sintético para pruebas de campo adicionales. Su objetivo es establecer los requerimientos para el uso operativo de los combustibles FT. El Ministerio ha fijado una ambiciosa meta de utilizar 50% de combustible sintético para 2016.

La aviación comercial está trabajando estrechamente con las fuerzas armadas para resolver los temas del combustible sintético. El Subcomité D02.JO de ASTM International contribuirá con ese trabajo desarrollando la especificación y los métodos de prueba que deben existir antes de que los combustibles sintéticos puedan abrirse paso en el mercado. //

 
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