Los BIOCOMBUSTIBLES (parte 1)

Se define como biocombustible a todo aquel carburante obtenido a partir de biomasa agrícola o forestal, como fuente renovable de origen, ya sea en estado sólido, líquido o gaseoso, y que puede utilizarse en procesos de combustión, ya sea de forma directa o mezclado con otros combustibles.

Existen diversos biocombustibles en el mercado, aunque los más conocidos en la actualidad, debido a  su utilización en el transporte, son: 
  • El biodiesel, utilizado prácticamente puro o mezclado con gasoil, y 
  • El bioetanol, o etanol, utilizado en un determinado porcentaje de mezcla con la gasolina.



También, y aunque no se consideran como biocombustibles propiamente dichos en muchas ocasiones, existen otros combustibles renovables procedentes de la biomasa cuya utilización esta muy extendida, como son: 
  • El biogas, procedente esencialmente de la fermentación de desechos orgánicos, y
  • La Biomasa, utilizada directamente como combustible esencialmente en sistemas de generación térmica (calderas de biomasa) o termoeléctrica, cuando su poder calorífico permite la utilización directa en este tipo de instalaciones.

A efectos de organización y simplificación de este post, y su segunda parte, procederemos a hablar solamente de los biocombustibles, y los diferenciaremos en distintas "generaciones", en función del nivel de desarrollo de los mismos. 

Para cada una de estas generaciones analizaremos la situación actual y sacaremos la bola de cristal para adivinar el futuro. No obstante, el lector deberá tener en cuenta que las "generaciones" de que se habla en este blog son subdivisiones creadas a efectos de presentación, que el avance de la ciencia, e incluso las políticas energéticas, pueden desdibujar fácilmente en función de los distintos avances (o incluso retrocesos) que se vayan dando.

La PRIMERA GENERACIÓN, la generación comercial.

Llamamos "Primera generación" de biocombustibles a los que se encuentran actualmente en el mercado a escala industrial, ya consolidados, y de una forma generalizada. 

Esta primera generación básicamente contempla el biodiesel y el bioetanol, procedentes de cultivos específicos de semillas y plantas para su producción.

photo credit: CameliaTWU via photopin cc

El Biodiesel de primera generación.

El biodiesel más común se obtiene por la transesterificación progresiva de los glicéridos contenidos en los aceites y grasas utilizados con un alcohol, normalmente metanol. 

En caso de que los aceites utilizados tengan un elevado porcentaje de ácidos grasos libres (>5%), como suele ocurrir con las grasas animales o los aceites usados, se suele llevar a cabo de forma previa un proceso de esterificación que permite convertir estos ácidos grasos en glicéridos, incrementando así el rendimiento de estos aceites en el proceso.

Los glicéridos contenidos en los aceites y grasas utilizados reaccionan con el metanol, en presencia de un catalizador (normalmente NaOH al 1,5%), y a temperaturas próximas a los 70ºC, para convertirse progresivamente en glicerina, mientras se van liberando en el proceso los esteres metílicos que formarán el biodiesel final.

Los metil-esteres obtenidos necesitan ser procesados previamente para obtener un biodiesel que pueda utilizarse. Para ello, una vez separados de la glicerina, por precipitación de esta última, se someterán a un lavado (para eliminar restos), a una deshidratación (para eliminar el agua), a una destilación (para eliminar el metanol sobrante) y a una estabilización (para evitar su degradación), dando lugar al biodiesel que se pone en el mercado.

El rendimiento en la obtención de biodiesel a partir de biomasa vegetal, con la máxima optimización de los procesos productivos, se equipara prácticamente al del aceite de entrada (aproximadamente un 98% de la cantidad de aceite entrante se convierte finalmente en biodiesel) por lo que los rendimientos globales dependerán esencialmente de los obtenidos en el cultivo de cada especie vegetal, que pueden ir de los 420 litros/ha. y año de aceite en el caso de la soja a los 5.500 litros/ha. y año de la palma.

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El uso de este biodiesel en motores es algo cada vez más extendido, y puede llevarse a cabo sin realizar modificaciones en los mismos y con sustituciones muy próximas al 100% del diesel original, aunque no es lo habitual.

Su uso no influye especialmente en la eficiencia térmica de los motores y disminuye considerablemente la mayoría de los parámetros de emisión. Sin embargo, al no existir una adaptación específica entre biodiesel y motores, se debe tener en cuenta que para el biodiesel más común (el procedente de transesterificación de aceites):
  • Al disponer de un PCI menor que el diesel original y mantener el rendimiento energético del motor, se produce necesariamente un incremento en su consumo específico.
  • El uso de biodiesel, si bien reduce las emisiones de la mayoría de contaminantes, puede incrementar por contra la de los óxidos de nitrógeno, lo cual puede perjudicar el cumplimiento de determinados parámetros o incrementar el consumo en ciertos sistemas de tratamiento de emisiones (como los sistemas AdBlue).
  • Su uso continuado también puede producir problemas de mantenimiento en el motor, especialmente en determinados componentes metálicos que pueden verse afectados por la corrosión, o en determinadas juntas del sistema de distribución del combustible (especialmente aquellas que sean de nitrilo).
  • Al tener una menor estabilidad que el diesel original, pueden presentarse también problemas de depósito, colmatación prematura de los filtros de combustible u obstrucción de inyectores. En este sentido, se recomienda no incrementar en exceso su tiempo de almacenamiento.
  • Algunos estudios establecen también una degradación algo más rápida del aceite del motor y ciertos problemas con la presencia de agua en el combustible, entre los que se incluye en ocasiones el desarrollo de hongos y levaduras en el circuito de alimentación.
No obstante, con la incursión de nuevas técnicas de producción, de nuevos compuestos estabilizadores y con la aparición de derivados como el hidrobiodiesel, algunos de estos problemas ya empiezan a presentar una mejora interesante que hace mucho más compatible este tipo de biocombustible para los motores diesel.

Mención especial merece en este punto la incursión en los últimos años del hidrobiodiesel, un nuevo biodiesel generado a partir de una reacción de hidrogenación, completamente distinta a la transesterificación tradicional, que se basa en un proceso de hidrogenación catalítica directa (existen otros procesos en lecho fluido para su producción pero no presentan aún implantación industrial).

En este proceso, la ruptura de los glicéridos se produce consumiendo en exclusiva hidrógeno (en una cantidad aproximada de 3% en peso respecto al aceite consumido) a temperaturas medias (unos 350ºC) y presiones también medias (entre 20 y 60 bares), y se consiguen obtener productos similares a los clásicos petrolíferos, entre los que se encuentran los típicos hidrocarburos (metano, propano, naftas y destilados medios similares al gasóleo) y subproductos como el agua o los óxidos de carbono (CO y CO2).
En España, desde el año 2011 se produce hidrobiodiesel de forma industrial, utilizando para ello unidades tradicionales de desulfuración de las plantas petrolíferas ya existentes, y mezclado con el gasóleo convencional. El principal promotor de esta iniciativa fue REPSOL, seguido también por CEPSA.

El Bioetanol de primera generación.

El bioetanol se obtiene de la fermentación de los azucares extraídos de determinadas plantas con un alto contenido en sacarosa (remolacha, caña de azúcar) o en almidón (maíz, patata, yuca), y su proceso es muy parecido a la fermentación que se lleva a cabo tradicionalmente para la fabricación de bebidas alcohólicas, aunque con ciertos matices.

El proceso comienza con la necesaria molienda, dilución y extracción de los azúcares de la biomasa vegetal. Este proceso, en el caso de utilizar biomasa con un alto contenido en almidón (maíz, trigo, cebada, etc), requerirá además de un tratamiento adicional mediante hidrólisis denominado "sacarificación", que permita convertir dicho almidón en azúcares fermentables, ya sea por medio de la utilización de enzimas o de ácidos disueltos (este último sistema es el más habitual).

Una vez extraídos los azúcares se procede a su fermentación anaeróbica mediante la adición de levaduras (habitualmente del género Saccharomyces cerevisiae) para la obtención de distintos tipos de alcoholes y CO2 en la descomposición de los azucares. 

La mezcla fermentada con etanol se extrae y somete a un proceso de destilación azeotrópica, en la que se utilizan aditivos como el benceno o el ciclohexano, para eliminar el agua y el azeótropo del etanol (etanol + agua), y conseguir así un alcohol con un mayor índice de pureza (superior al 99%) preparado para su adición a las gasolinas.

El proceso de fabricación del etanol no presenta un rendimiento tan elevado como el de biodiesel, pues la conversión de los azucares sólo puede dar un porcentaje aproximado del 48% de etanol. Sin embargo, la mayor productividad de los cultivos energéticos utilizados para este permite equiparar la productividad por hectárea con el biodiesel, con variaciones que van desde los 3.700 litros/ha y año del maíz, mayoritariamente utilizado en los EEUU, a los 6.800 litros/ha y año de la caña de azúcar, utilizada principalmente en Brasil.

En el caso del bioetanol, su uso no se realiza al 100%, como con el biodiesel, salvo para motores específicos adaptados a este combustible, sino que se hace en distintos porcentajes de mezcla con gasolina (E10 o E85, entre las más habituales), de forma que no sean precisas modificaciones de los motores tradicionales para el E10 (10% de etanol) o los motores FFV-FlexiFuel para el E85 (85% de etanol).

Su uso no presenta tantos problemas como el biodiesel dada la adaptación entre combustibles y motores, y de hecho su adición permite sustituir otros componentes de la gasolina que son incluso más tóxicos como el MTBE (metil-tert-butil eter), que se empezó a utilizar en los años 80 para incrementar el octanaje de las gasolinas sin plomo, y que en la última década se ha descubierto como un serio contaminante de aguas y suelos con un grave impacto ambiental.

La combustión del etanol en los porcentajes utilizados es correcta y los niveles de generación de gases son mucho menores que con la gasolina, por lo que en este punto es beneficioso. Sin embargo, se pueden presentar como contras el hecho de que:
  • Podría requerir un ajuste de la carburación del motor, sobretodo a porcentajes de mezcla con la gasolina más elevados, para garantizar una correcta carburación.
  • Puede perjudicar al mantenimiento de ciertos vehículos, al igual que el biodiesel, por su poder de degradación de determinadas piezas plásticas.
  • Muchos fabricantes también recomiendan que no se almacene el combustible durante un periodo de más de 30 días, puesto que en ocasiones presenta problemas de disociación, acumulando agua en el fondo de los depósitos.

Continuará....



Enlaces de interés sobre este tema:
Libro: Biofuels - Economy, Environment and Sustainability.
Libro: Liquid, gaseous and Solid Biofuels - Conversion techniques
Informe Anual de Biocarburantes de la Comisión Nacional de la Energía - CNE 
Energías renovables - Web de referencia en España en materia de energías renovables



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