5 BIODIESEL. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

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1 5 BIODIESEL El biodiesel es un producto de propiedades físicas y químicas muy parecidas a las del gas-oil convencional obtenido a partir del petróleo. Se obtiene a partir de aceites vegetales o grasas animales, ya sean vírgenes o reutilizadas. Sin embargo, dado que los aceites reciclados no son muy abundantes, la principal materia prima para la producción de biodiesel son los aceites obtenidos de algunas especies vegetales tales como el girasol, ricino, soja, cacahuete, coco o palma entre otras. Recientemente se han identificado algunas especies, de crecimiento rápido y elevada producción de aceite, que pueden resultar adecuadas para la producción de biodiesel. Una de estas especies es Jatropha curcas, una euforbiácea caducifolia que se encuentra originariamente en Centroamérica y en el Caribe, y que puede alcanzar un porte arbóreo con alturas de hasta 4 ó 5 m aunque generalmente, en los cultivos destinados a la producción de aceite se la fuerza a mantener un porte arbustivo. Otras plantas recientemente identificadas como potenciales productores de biodiesel son Pongamia pinnata (un árbol fijador de nitrógeno) originario de Australia o Moringa oleifera un arbolillo originario del Sur de la India. Las tres especies pueden crecer en suelos salinos y resultan tolerantes a la sequía aunque su crecimiento óptimo se obtiene en condiciones subtropicales. El biodiesel lo constituyen los etil- o metil- esteres de los ácidos grasos. La reacción básica en la producción de biodiesel la constituye el proceso de transesterificación (figura 5.1). La transesterificación, también conocida como alcoholisis se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos con alcoholes de bajo peso molecular como metanol, etanol, propanol o butanol para producir ésteres y glicerina. Los triglicéridos son los principales componentes del aceite vegetal o la grasa animal. El número de átomos de sus cadenas está comprendido entre 15 y 23, siendo el más habitual de 18. En la reacción de transesterificación, un mol de triglicérido reacciona con tres moles de alcohol. La transesterificación de los triglicéridos por el metanol se produce fácilmente en presencia de un catalizador alcalino como el hidróxido sódico o hidróxido potásico, reacción que tiene lugar a presión atmosférica y a una temperatura de 60-70ºC y que produce como resultado biodiesel y glicerol. No obstante se debe de añadir una cantidad adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación del éster metílico. Además, la formación de la glicerina, inmiscible con los ésteres metílicos, juega un papel importante en el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, alcanzándose conversiones cercanas al 100%. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

2 CH O-CO 2 R CHO-COR CH O-CO 2 R + 3 ROH catalizador CH OH 2 CHOH CH OH 2 + RCOOR + RCOOR + RCOOR triglicéridos alcohol glicerol biodiesel 1 mol 3 moles 1 mol 3 moles 100 kg de aceite 10.6 kg de metanol 10.2 kg de glicerol kg de biodiesel Figura 5.1. El proceso de transesterificación de los aceites con un alcohol, generalmente metanol, en presencia de un catalizador alcalino, que acostumbra a ser hidróxido sódico, produce biodiesel y glicerol como producto secundario. El balance estequiométrico se ha calculado asumiendo que el alcohol utilizado es metanol (R=CH 3 - ) y que las cadenas del triglicérido están formadas por 18 átomos de carbono. En cambio el exceso de alcohol metílico afecta a la separación de glicerina debido al incremento de solubilidad y, si la glicerina se mantiene en la solución, hace que la reacción revierta hacia la izquierda, disminuyendo el rendimiento de los ésteres por lo que es importante mantener el metanol en las proporciones no demasiado alejadas de seis moles por cada mol de triglicérido para evitar estos inconvenientes. La utilización de catalizadores alcalinos supone que los glicéridos y el alcohol deben ser anhidros, conteniendo menos del 0,06 % de agua en volumen, para evitar que se formen jabones y los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se produzca la reacción de saponificación que se muestra en la figura 5.2. CH2O-COR CHO-COR + 3 KOH (H O) 2 CH OH 2 CHOH + 3RCOOK CH2O-COR CH OH 2 triglicéridos hidróxido potásico glicerol jabón potásico Figura 5.2. Reacción de saponificación: el triglicérido reacciona con el catalizador básico, consumiendo éste, en presencia de agua dando lugar a la formación de jabones. Para la reacción, el aceite extraído por prensado de las semillas se filtra para eliminar las impurezas. Existen diversas alternativas técnicas para la producción de biodiesel. El método más simple es el denominado proceso discontinuo. En este procedimiento el metanol, en exceso, se mezcla con el hidróxido sódico en el reactor hasta que todo el hidróxido sódico se ha disuelto. Metanol e hidróxido sódico reaccionan para formar metóxido sódico (Na + CH 3 O - ). El metóxido resultante se transfiere entonces a un reactor con agitación que contiene el aceite filtrado y se procede a la mezcla. Se requiere una agitación enérgica al principio, para proceder a la mezcla de los tres componentes. Hacia el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase éster. La temperatura de operación más habitual es de 65ºC. Con este proceso discontinuo se consiguen rendimientos de entre el 85 y el 94 por ciento. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

3 Figura 5.3. Esquema general simplificado del proceso de transesterificación en discontinuo. A partir del aceite se obtiene biodiesel como producto principal y glicerina como producto secundario. El alcohol (generalmente metanol) se añade en exceso y una parte de este excedente se recupera en el tratamiento posterior. En algunas instalaciones industriales se utiliza una reacción en dos etapas. Entre ambas se retira el glicerol lo que permite incrementar el rendimiento hasta porcentajes superiores al 95 por ciento. Una vez producida la esterificación la mezcla se deja reposar entre 6 y 18 horas hasta que se produce la separación en dos fases: la fase inferior que se acumula en el fondo del tanque, es glicerina que se extrae por gravedad para su posterior purificación y para recuperar el exceso de catalizador y metanol. La fase sobrenadante es el metiléster o biodiesel que debe ser transferido a un tanque para proceder a su lavado con agua acidificada con ácido acético. Una vez lavado, se deja reposar para separar ambas fases (la acuosa y el biodiesel), se retira la fase acuosa y, si es necesario se elimina el exceso de humedad del biodiesel. El exceso de metanol se recupera, así mismo, por destilación y se somete a rectificación para ser posteriormente reutilizado. Además del proceso discontinuo se pueden utilizar reactores continuos en tanques agitados, los llamados CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor). Este tipo de reactores pueden ser de diversos volúmenes para permitir mayores tiempos de residencia y lograr aumentar los resultados de la reacción. Así, tras la decantación de glicerol en el decantador la reacción en un segundo CSTR es mucho más rápida, con un porcentaje del 98% de producto de reacción. El biodiesel así obtenido puede utilizarse en estado puro en los motores diesel convencionales, o puede combinarse en cualquier proporción con el gas-oil convencional para producir mezclas que pueden quemarse en motores diesel con escasas o nulas modificaciones. Sin embargo, en proporciones superiores al 5% es necesario reemplazar el material empleado en el circuito de alimentación de combustible por otro más resistente, ya que se puede deteriorar por el mayor poder disolvente del biodiesel. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

4 Tabla 5.1. Propiedades físico-químicas más importantes del gasóleo y de los aceites y metilesteres de girasol y colza. (De Panoramaenergético.com). Girasol Colza Gasóleo aceite metil éster aceite metil éster Peso específico a 15ºC (kg/l) Punto de ignición (ºC) (a) Viscosidad cinemática a 37,8ºC (mm 2 /s) (b) Índice de cetano (c) Calor bruto de combustión (kcal/kg) Punto de enturbamiento (ºC) (d) 0-(+3) Azufre (% peso) (e) 0.3 <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 Fósforo (% peso) (f) Residuo de carbón (% peso) (g) Acidez total (mg de KOH/g ) (h) Glicerina libre (% peso) (i) Glicerina total (% peso) (j) Sedimentos y agua (% volumen) (k) < (a) Temperaturas de inflamación y combustión altas son propias de hidrocarburos poco volátiles, lo que da idea de la dificultad que presentan dichas sustancias en el arranque en frío. (b) La viscosidad de un carburante afecta directamente a los sistemas de inyección. Si es demasiado baja, los inyectores se tendrán que reparar con frecuencia, y si es demasiado alta, los inyectores sufren una presión excesiva, que se traduce en una mala atomización del combustible. El valor alto de viscosidad que presentan los aceites, es el principal responsable de que no puedan utilizarse directamente como combustibles. La transesterificación de estos aceites con metanol para formar ésteres metílicos reduce considerablemente el valor de la viscosidad. (c) El índice de cetano es la capacidad de autoignición que presenta un combustible cuando se comprime en presencia de oxígeno. Es la propiedad más característica que define la calidad de un combustible para su utilización en un motor diesel. Si esta propiedad es elevada el motor arranca aún a temperaturas bajas, el combustible arde más regularmente, siendo la combustión más regular y suave, lo que supone un aumento del rendimiento y una disminución de la contaminación de los gases de salida (d) Es la temperatura a la que se forma una nube de cristales. Resulta importante cuando se debe operar a bajas temperaturas (e) El contenido en azufre de un combustible es una medida de la cantidad de los óxidos de azufre emitidos a la atmósfera. Los óxidos de azufre son los principales responsables de la lluvia ácida. (f) Si el biodiésel contiene cantidades elevadas de fósforo, las emisiones de partículas serán también elevadas. Además, reducen el tiempo de vida de los catalizadores de oxidación de los motores diesel. (g) Es una medida de la tendencia del combustible a formar depósitos carbonosos en el motor. Este parámetro es un indicador excelente del contenido en algunas impurezas del biodiésel como glicéridos, ácidos grasos, jabones y restos de catalizador. (h) Es una medida del contenido en ácidos grasos libres del biodiésel, definiéndose como el número de miligramos de hidróxido potásico requeridos para neutralizar los ácidos grasos libres de un gramo de biodiésel. No debe presentar valores elevados, ya que causa problemas de corrosión en el motor. (i) La glicerina libre es la cantidad de glicerina que permanece en el biodiésel tras las etapas de purificación. Su presencia en cantidades grandes indica que las etapas de separación y limpieza del biodiésel no se han realizado de forma adecuada. También se puede formar durante períodos largos de almacenamiento a través de la saponificación de los restos de glicéridos presentes en el biodiésel. (j) La glicerina ligada es la cantidad de glicerina presente en forma de mono-, di-y triglicéridos. Su presencia en el biodiésel indica que la reacción no es completa, ya que los glicéridos son restos del aceite o grasa sin reaccionar contenidos en el éster metílico. La glicerina total es la suma de la glicerina ligada y libre. Cantidades elevadas de glicerina, en cualquiera de sus formas, provocan problemas en el motor, ya que se deposita en los sistemas de filtrado y de inyección del combustible, y aumentan las emisiones de aldehídos. (k) El biodiésel tiene tendencias higroscópicas, por lo que puede absorber pequeñas cantidades de agua de la atmósfera. Para que el biodiésel sea de suficiente calidad no debe contener agua, ya que se producirían problemas en el motor. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

5 Desde mediados de los años 90, muchos fabricantes de vehículos han substituido dichos materiales por conductos fabricados con materiales plásticos o derivados para evitar su disolución por el biodiesel. Ya que en España, resulta difícil controlar si los vehículos están o no preparados para la utilización de biodiesel puro, se emplea una mezcla que contiene 10 por ciento de biodiesel y 90 por ciento de gasóleo evitando así cualquier tipo de problema a los vehículos. En otros casos se opta por la mezcla del biodiesel en un 5 por ciento, proporción que, legalmente, permite considerar al biocombustible como un aditivo que no altera las características técnicas del gasóleo de origen fósil. En el caso de incorporar una proporción mayor, existe la obligación de asignar al producto un nombre diferente al de gasóleo, gasoil o diésel. Las características fisicoquímicas de los ésteres son más parecidas a las del gasóleo que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del éster es dos veces superior a la del gasóleo frente a diez veces ó más de la del aceite crudo; además el índice de cetano de los ésteres es superior, y sus valores resultan adecuados para su uso como combustible. Tiene la ventaja de que su manipulación no requiere instalaciones especiales dado que se puede almacenar y transportar exactamente igual que el gasoil convencional. El biodiesel tiene la ventaja añadida de no contener azufre, más allá de las cantidades traza originariamente contenidas en los tejidos vegetales de los que se extrae el aceite que se utiliza para su producción, no contiene hidrocarburos aromáticos y contiene alrededor de un 10 por ciento de oxígeno en su estructura química lo que ayuda a su combustión casi total. El biodiesel se utiliza, además de en automoción, para sustituir al gasóleo C de calefacción. Por otra parte, el biodiesel disuelve los hidrocarburos lo que lo hace adecuado para limpiar vertidos de hidrocarburos como, por ejemplo, en el accidente del Erika en la costa francesa. La densidad del biodiesel suele hallarse entre 870 y 890 g/l y su contenido energético es de unas 9000 kcal/kg es decir, aproximadamente un 20 por ciento más bajo que el de una cantidad equivalente de gas-oil, por lo que para reemplazar a éste se requiere el uso de una cantidad un 20 por ciento superior de biodiesel (tabla 5.1). En la síntesis del biodiesel, se forman entre el aceite y el alcohol, normalmente metílico, ésteres en una proporción aproximada del 90 por ciento más un 10 por ciento de glicerina. La glicerina representa un subproducto valioso que, de ser refinada, puede llegar a cubrir los costos operativos de una planta productora. Sin embargo, la creciente oferta de glicerina está provocando ya una disminución de sus precios de venta con la consiguiente problemática de merma de rentabilidad que ello supone para el sector del biodiesel. Al nivel actual de producción, las glicerinas tienen suficientes salidas comerciales actualmente, pero conseguir una producción de biodiesel de la magnitud del objetivo fijado para el 2010 en la Unión Europea (ver capítulo 6) podría generar problemas en la saturación del mercado de glicerina. El aumento de la producción de biodiesel no hará más que agravar esta tendencia. A nivel mundial la situación es similar, tratándose de un mercado relativamente pequeño, con una producción mundial en torno a 0.8 millones de tm de las cuales unas tm provienen de la producción de biodiesel. Biodiesel obtenido de la soja El cultivo de la soja La producción de biodiesel a partir de aceites vegetales requiere menos energía que la producción de bioetanol a partir del maíz. No obstante, un análisis de la producción de biodiesel a partir de especies vegetales diversas ha demostrado ser energética y económicamente negativa o, en el mejor de los casos escasamente rentable (Pimentel 2001). La soja, contiene menos aceite que otras especies (ver tabla 5.2) pero al tratarse de una leguminosa fijadora de nitrógeno puede cultivarse sin apenas aplicación de nitrógeno y resulta ventajosa en la C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

6 producción de biodiesel ya que los fertilizantes nitrogenados representan una de las entradas de energía más elevadas de los cultivos (Pimentel and Patzek 2005). Tabla 5.2. Producción de aceite en diferentes cultivos Especies (kg/ha) Producción de aceite litros/ha Palma Coco Aguacate Jatropha Cacao Arroz Soja Girasol Café El cultivo de soja llega a producir 2668 kg/ha de haba de soja. La producción de estos 2668 kg requiere una entrada de energía al cultivo de 1914 millones de calorías. Se requieren unos 70 kg de semillas para la siembra de 1 ha de cultivo cuyo costo energético representa poco más de kcal. La contribución energética de la maquinaria pesada se ha estimado de acuerdo con los principios discutidos en el capítulo 3 y asumiendo la maquinaria requerida para el cultivo de una finca de 120 hectáreas y una vida media de la maquinaria de 15 años. total 1914 Mcal/ha combustibles 34% semillas 3% maquinaria 20% irrigación 17% fertilizantes 8% herbicidas 6% transporte trabajo 3% personal 9% Figura 5.4. El cultivo de una hectárea de soja requiere unas entradas de energía de 1914 millones de calorías de las que combustibles, maquinaria e irrigación son, por este orden, los tres componentes más importantes. Representan el 71 por ciento de la energía requerida por el cultivo. La maquinaria pesada contribuye al cultivo con una cantidad de kcal. Se estima que el uso de la maquinaria más los desplazamientos asociados a las labores del cultivo, conllevan un consumo de unos 75 litros de combustible por hectárea cada año, que supone una entrada al cultivo de 663 Mcal. La energía asociada al bombeo del agua de irrigación supone otra entrada importante de energía al cultivo de 320 Mcal. En el apartado de irrigación asumimos un costo de 4 calorías por cada litro de agua y cada metro de altura de bombeo. Asumimos que se riega solamente el 10 por ciento de la superficie que se cultiva, lo que supone añadir 80 mm de agua por hectárea. Combustibles, maquinaria C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

7 e irrigación son, por este orden, los tres componentes más importantes. Juntos representan el 71 por ciento de la energía requerida por el cultivo. Los fertilizantes representan en el cultivo de soja una contribución de kcal un valor notablemente bajo dado el carácter fijador de nitrógeno de la soja. Herbicidas y pesticidas suponen un aporte suplementario de kcal más. En el capítulo de transporte se considera el transporte en camión de las semillas, tanto los 70 kg de semillas iniciales del cultivo como los 2668 kg de la cosecha final que debe transportarse a la planta de producción, más los fertilizantes, herbicidas, pesticidas y los 75 litros de combustible que se requieren para mover la maquinaria de la granja. Asumimos que el transporte se realiza a una distancia de 100 km, una cifra a todas luces muy conservadora. El costo energético del transporte de materiales resulta ser de kcal. Finalmente la contribución del trabajo personal, que hemos estimado en unas 7 horas al año por cada hectárea de cultivo, representa un aporte de energía al cultivo de 175 Mcal que supone un 9 por ciento de las entradas totales de energía al cultivo. En definitiva, cada hectárea de soja requiere unas entradas de energía al cultivo de 1914 millones de calorías para producir 2668 kilogramos de haba de soja con los que podremos producir finalmente 480 litros de biodiésel. En términos más directos, el cultivo de soja para la producción de biodiesel supone una inversión de 718 kcal por litro de biodiesel producido al final del proceso a las que deberemos añadir la energía consumida en el tratamiento industrial. Una vez más se pone de manifiesto la enorme limitación que supone la fotosíntesis. Durante el periodo de actividad del cultivo llegan unas kcal/m 2 de las que finalmente recuperamos en el haba de soja 1250 kcal/m 2 que apenas representa un 2 por mil de la energía solar recibida por el cultivo. Energía requerida en el proceso industrial de la soja para producir biodiesel. La producción de biodiesel requiere unos aportes de energía de 8108 kcal por kg de biodiesel. Dado que la energía del biodiesel es de unas 9000 kcal/kg, en su producción se invierte prácticamente el 90 por ciento de la energía que finalmente se obtiene con lo que el balance neto resulta ser un exiguo 10 por ciento. Figura 5.5. Planta de producción de biodiesel en Ciudad Real. La planta tiene capacidad para producir toneladas al año y según la empresa Acciona Energía S.A. su instalación ha costado alrededor de 30 millones de euros. El cultivo representa la mitad de la energía invertida. Del resto, que supone el proceso industrial, transporte (25%) y consumo de electricidad (16%) de la planta procesadora son los dos componentes más importantes. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

8 Tabla 5.3. Energía invertida en el cultivo y en el procesado industrial de obtención de biodiesel a partir de aceite de soja CULTIVO (1 ha) kcal/ha CO 2 (kg/ha) Semillas para la siembra del cultivo (kg/ha/año) (a) Maquinaria pesada (kg/ha/año) (b) Fertilizantes Nitrógeno (kg/ha/año) Fósforo (kg/ha/año) Potasio (kg/ha/año) Cal viva (kg/ha/año) Herbicidas (kg/ha/año) Pesticidas (kg/ha/año) Transporte de materiales (kg/ha/año) (c) Trabajo Personal (horas/ha/año) (d) Irrigación (litros/m2) (e) Combustibles Gasoil (l/ha/año) Gasolina (l/ha/año) TOTAL cultivo: Rendimiento del cultivo (kg de semilla/ha): 2668 Contenido de aceite en la semilla (%): 0.18 Producción de biodiesel (kg de biodiesel/ha): 480 CO kcal/1000 l 2 PROCESADO INDUSTRIAL (1000 l) (kg/1000 l) Costo del cultivo para producir 1000 litros de etanol Semillas para producir 1000 kg de biodiesel (kg) (g) 5556 Transporte (a): Peso de grano y biodiesel final (kg) (h) 6556 Distancia de transporte en camión (km) (i) Transporte en barco (solo el biodiesel) (km) (i) Planta de producción (kcal/kg de biodiesel) (j) Metanol (kg) (k) Sosa caústica (kg) (l) Agua (kg) (m) Vapor de agua y ebullición de la mezcla (kg) (n) Electricidad (kwh) (f) TOTAL procesado industrial: TOTAL GENERAL (kcal/1000 kg de biodiesel): Energía del biodiesel: Rendimiento: Productos secundarios: Pasta de las semillas: (o) Glicerina (p) Energía total (biodiesel + pasta+glicerina): Rendimiento final: 1.51 Kg de biodiesel equiv a 1kg de gasoil Emisiones de CO 2 del biodiesel respecto del gasoil 0.90 Considerandolas emisiones por la extraccion y refinado del petróleo (3.7 kg de CO 2 /kg de diesel) 0.80 (a) según Pimentel y Patzek (2005) (b) granja de 120 ha y vida media de la maquinaria de 15 años (c) transporte de la semilla, fertilizantes, herbicidas, pesticidas y combustibles utilizados en la granja una distancia de 100 km en camión C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

9 (d) asumiendo un costo de kcal/hora de trabajo, que es un valor intermedio entre el valor mínimo de 5000kcal/h en los países del tercer mundo y el valor de kcal/hora en los países avanzados (e) asumimos un costo de irrigación de 4 calorias por cada litro de agua que se bombea a 1 m de altura y asumiendo que sólo se riega el 10 por ciento de la superficie que se cultiva con una cantidad de 800 mm que se bombea de 100 m de profundidad. (f) 1kWh=864 kcal y para producir 1 kwh de electricidad se requieren 3 kwh de energía térmica. (g) contenido de aceite en la semilla de soja: 18% y un kilo de aceite equivale a 1 kg de biodiesel (h) la semilla o el fruto se transporta hasta la planta de producción de biodiesel y el biodiesel al consumidor final. Asumimos una distacia de transporte de 2500 km en barco y 500 km en camión. (j) planta de vida útil 20 años que procesa toneladas de biodiesel/año (k) 125 litros de metanol, cada litro tiene un costo de produccion de 5300kcal (l) 150 kg de sosa caustica (m) se consumen unos litros de agua para lavar el metanol (n) se añade un 20 por ciento de volumen de aceite y se hierve hasta evaporarlo, para purificar el aceite (o) contenido energético de 500 kcal por kg de pasta residual de las semillas una vez extraído el aceite (p) 85 kgde glicerol por cada 1000 litros de aceite. El costo de sintetizar glicerol es de 11.8 kcal/g La tabla 5.3 resume los costos en términos energéticos y de emisiones de CO 2 de la producción de biodiesel a partir de la soja. La contribución de la planta industrial en términos energéticos se puede considerar, a todos los efectos, despreciable. Una planta con una vida media de 25 años y una producción anual de toneladas acabará produciendo 750 millones de litros a lo largo de su vida. Al dividir la energía que supone la construcción de la planta por la producción durante toda su vida activa se obtiene un aporte de energía que representa menos del 1 por ciento de la energía requerida por cada kg de biodiesel. En resumen, la producción de un kilogramo de biodiesel requiere una inversión de 8108 kcal. El cultivo representa la mitad de la energía invertida. Del resto, que supone el proceso industrial, transporte y consumo de electricidad de la planta procesadora son los dos componentes más importantes. Dado que la energía del biodiesel es de unas 9000 kcal/kg, en su producción se invierte prácticamente el 89 por ciento de la energía que finalmente se obtiene con lo que el balance neto resulta ser un exiguo 11 por ciento. total 8108 Mcal/ha Cultivo 49% transporte 25% Electricidad 16% Planta industrial <1% Reactivos 8% Vapor de agua 2% Figura 5.6. Distribución de la energía requerida para producir 1000 kg de biodiesel de aceite de soja. Los 1000 kg de biodiesel requieren 8108 millones de calorías o, si se prefiere, 8108 kcal por kg de biodiesel. Dado que la energía del biodiesel es de unas 9000 kcal/kg, en su producción se invierte prácticamente el 90 por ciento de la energía que finalmente se obtiene con lo que el balance neto resulta ser un exiguo 11 por ciento. El cultivo representa la mitad de la energía invertida. Del resto, que supone el proceso industrial, transporte y consumo de electricidad de la planta procesadora son los dos componentes más importantes. Ya hemos visto que, en la síntesis del biodiesel, se forma glicerina en una proporción aproximada de 100 kg de glicerina por cada 1000 kg de biodiesel. Considerando que se pueden recuperar unos 85 litros y que la energía de síntesis de la glicerina es de 11.8 kcal/g, la glicerina representa una recuperación de 1 millón de kcal. La trituración de las habas de soja, una vez extraído el aceite dejan C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

10 un residuo rico en proteínas que puede ser aprovechado como aditivo proteínico en el alimento del ganado. El contenido energético de esta pasta residual es de 500 kcal/kg por lo que el aprovechamiento de los 4556 kg permiten una recuperación suplementaria de 2.28 millones de calorías más. Si se añaden estos 3.28 valores al contenido energético del biodiesel el balance mejora considerablemente arrojando un rendimiento de 1.51 veces la energía invertida en la producción. No hay que olvidar que la cantidad de biodiesel necesaria para substituir a un kg de gasóleo convencional es de 1.2 kg aproximadamente en cuya producción se han invertido 9924 kilocalorías. Las emisiones de CO 2 que se generan en la producción y procesado de esta cantidad de biodiesel se estiman en 2977 g de CO 2. La combustión de un kg de gasóleo supone unas emisiones de 3300 g de CO 2 a los que hay que añadir 400 g más generados en la exploración y explotación de los yacimientos de los que se extrae el petróleo que da origen al gasóleo. Comparando ambas emisiones, se concluye que la substitución de un kg de gasoleo por biodiesel supone un ahorro de 723 g de CO 2 a la atmósfera que representa cerca de un veinte por ciento de las emisiones del gasóleo. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

11 CUADRO 5.1. La producción de biodiesel de SOJA en cifras 1 ha de cultivo de soja produce anualmente 2668 kg de semilla que permiten producir 480 litros de biodiesel 1000 kg de biodiesel: Para producir 1000kg de biodiesel se requieren 2.08 hectáreas que producen 5556 kilos de semillas con un consumo energético de 3985 Mcal en el cultivo el proceso industrial consume 4123 Mcal más Producir 1000 kg de biodiesel cuesta en total 8108 Mcal La energía contenida en los 1000 kg de biodiesel equivale a 9000 Mcal La producción de biodiesel representa 1.11 veces la energía invertida o sea que el balance neto de energía es de un 11 por ciento Los coproductos contienen 3281 Mcal más Si se aprovechan estos co-productos, el rendimiento se eleva a 1.51 veces la energía invertida En el cultivo se emíten 1196 kg de CO 2 En el proceso industrial se emíten 1237 kg de CO 2 En la producción de 1000 kg de biodiesel se emíten 2432 kg de CO 2 Para producir la energía en el coche equivalente a 1 kg de gas-oil se requieren 1.22 litros de biodiesel que contienen kcal en su producción se han invertido 9924 kcal La combustión en el motor del coche de 1 kg de gasoil supone la emisión a la atmósfera de 3700 kg de CO 2 En la producción y procesado del biodiesel se han emitido 2977 kg de CO 2 Con lo que el supuesto ahorro de emisiones supone emitir 723 g menos por cada kg de biodiesel utilizado ENERGÍA cultivo; 3985 Emisiones de CO2 proceso industrial; 4123 cultivo; 1463 coproductos; energía del biodiesel; 9000 proceso industrial; 1514 gasoil; 3305 Arriba: Balance energético en la producción de un litro de bioetanol a partir del grano de maíz. En términos energéticos la energía que se debe de invertir en el cultivo más la energía del proceso industrial resultan prácticamente igual a la energía que se recupera en el bioetanol con lo que el balance del proceso es prácticamente nulo. Los residuos de la destilación, ricos en proteínas y fácilmente disgestibles aportan una cantidad extra de energía si se utilizan como pienso para el ganado. Abajo: Las emisiones de CO 2 que se producen en el cultivo más las que se producen en el proceso industrial resultan ligeramente superiores a las de la gasolina que puede substituir el bioetanol con lo que el balance de emisiones de CO 2 resulta negativo. Se emite más CO2 a la atmósfera en la producción de bioetanol que con el uso de la propia gasolina fósil convencional. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

12 Biodiesel obtenido del girasol El cultivo del girasol La semilla de girasol contiene un 26 por ciento de aceite. Su cosecha es de 1500 kg/ha. El cultivo de una hectárea de girasol requiere 4494 Mcal de los que, a diferencia de la soja que es una planta fijadora de nitrógeno, la fracción más elevada corresponde a los fertilizantes, especialmente los nitrogenados. Se requieren 110 kg de fertilizante nitrogenado cuya producción supone una inversión de 1396 Mcal. Los 71 kg de fertilizantes fosforados o los 100 kg de fertilizantes potásicos suponen una inversión de 161 y 199 Mcalorías más. total 4494 Mcal/ha trabajo personal 5% transporte 1% herbicidas 5% fertilizantes 39% combustibles 37% semillas 5% maquinaria 8% Figura 5.7. El cultivo de una hectárea de girasol requiere unas entradas de energía de 4494 millones de calorías de las que los fertilizantes (especialmente nitrogenados) representan los aportes más importantes con un 39 por ciento del total seguidos de cerca por los combustibles. Ambos aportes representan el 76 por ciento del total requerido por el cultivo. El abonado del cultivo representa el 39 por ciento de la energía total requerida en el cultivo. Los combustibles que se consumen en las labores de campo representan casi otro tanto, un 37 por ciento más o 1.67 Mcal. Otros componentes de la inversión energética que requiere el cultivo se representan en la figura 5.7 y se detallan en la tabla 5.3. El cultivo produce un rendimiento de 1500 kg de semillas que permiten obtener 390 kg de biodiesel con una inversión de 4494 Mcal y unas emisiones de 1348 kg de CO 2. total Mcal/ha transporte 12% Planta industrial <1% Reactivos 4% Cultivo 75% Vapor de agua 1% Electricidad 8% Figura 5.8. Distribución de la energía requerida para producir 1000 kg de biodiesel de aceite de girasol. Los 1000 kg de biodiesel requieren millones de calorías o, si se prefiere, kcal por kg de biodiesel. Dado que la energía del biodiesel es de unas 9000 kcal/kg, en su producción se invierte más energía de la que se recupera finalmente con lo que resulta aun balance neto negativo. El cultivo representa el 75 por ciento de la energía invertida. Del resto, que supone el proceso industrial, transporte y consumo de electricidad de la planta procesadora son los dos componentes más importantes. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

13 Tabla 5.4. Energía invertida en el cultivo y en el procesado industrial de obtención de biodiesel a partir de aceite de girasol. CULTIVO (1 ha) kcal/ha CO 2 (kg/ha) Semillas para la siembra del cultivo (kg/ha/año) (a) Maquinaria pesada (kg/ha/año) (b) Fertilizantes Nitrógeno (kg/ha/año) Fósforo (kg/ha/año) Potasio (kg/ha/año) Cal viva (kg/ha/año) Herbicidas (kg/ha/año) Pesticidas (kg/ha/año) Transporte de materiales (kg/ha/año) (c) Trabajo Personal (horas/ha/año) (d) Irrigación (litros/m2) (e) Combustibles Gasoil (l/ha/año) Gasolina (l/ha/año) TOTAL cultivo: Rendimiento del cultivo (kg de semilla/ha): 1500 Contenido de aceite en la semilla (%): 0.26 Producción de biodiesel (kg de biodiesel/ha): 390 CO kcal/1000 l 2 PROCESADO INDUSTRIAL (1000 l) (kg/1000 l) Costo del cultivo para producir 1000 litros de etanol Semillas para producir 1000 kg de biodiesel (kg) (g) 3846 Transporte (a): Peso de grano y biodiesel final (kg) (h) 4846 Distancia de transporte en camión (km) (i) Transporte en barco (solo el biodiesel) (km) (i) Planta de producción (kcal/kg de biodiesel) (j) Metanol (kg) (k) Sosa caústica (kg) (l) Agua (kg) (m) Vapor de agua y ebullición de la mezcla (kg) (n) Electricidad (kwh) (f) TOTAL procesado industrial: TOTAL GENERAL (kcal/1000 kg de biodiesel): Energía del biodiesel: Rendimiento: Productos secundarios: Pasta de las semillas: (o) Glicerina (p) Energía total (biodiesel + pasta+glicerina): Rendimiento final: 0.74 Kg de biodiesel equiv a 1kg de gasoil Emisiones de CO2 del biodiesel respecto del gasoil 1.72 Considerandolas emisiones por la extraccion y refinado del petróleo (3.7 kg de CO2/kg de diesel) 1.53 Notas a pié de tabla: ver las notas de la tabla 5.3. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

14 Para producir 1000 kg de biodiesel se requieren 3846 kg de semillas, es decir el producto de casi dos hectáreas y media. El costo energético del cultivo representa el 75 por ciento de la inversión total (ver figura 5.8). La producción de 1000 kg de biodiesel requiere una inversión energética de Mcal de las que el biodiesel propiamente dicho recupera unas 9 Mcal. La producción de biodiesel a partir de aceite de girasol representa un proceso de rendimiento claramente negativo con una pérdida del 42 por ciento de la energía invertida. Por lo que respecta a las emisiones de CO 2, la producción de los 1000 kg de biodiesel supone unas emisiones de 4636 kg. Si recordamos que se requieren 1.2 kg de biodiesel para obtener la energía de un kg de gasóleo en el motor del coche, las emisiones de este biodiésel suponen 5674 kcal que superan con creces las 3700 kcal que emite la combustión del kg de gasóleo. El balance de CO 2 resulta, en este caso catastrófico ya que la substitución de 1 kg de gasóleo por biodiesel de girasol lejos de contribuir a la reducción de las emisiones de CO 2, supone un incremento de 1974 g de CO 2. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

15 CUADRO 5.2. La producción de biodiesel de GIRASOL en cifras 1 ha de cultivo de girasol produce anualmente 1500 kg de semilla que permiten producir 390 litros de biodiesel 1000 kg de biodiesel: Para producir 1000kg de biodiesel se requieren 2.56 hectáreas que producen 3846 kilos de semillas con un consumo energético de Mcal en el cultivo el proceso industrial consume 3931 Mcal más Producir 1000 kg de biodiesel cuesta en total Mcal La energía contenida en los 1000 kg de biodiesel equivale a 9000 Mcal La producción de biodiesel representa 0.58 veces la energía invertida o sea que el balance neto de energía es de un -42 por ciento Los coproductos contienen 2426 Mcal más Si se aprovechan estos co-productos, el rendimiento se eleva a 0.74 veces la energía invertida En el cultivo se emíten 3457 kg de CO 2 En el proceso industrial se emíten 1179 kg de CO 2 En la producción de 1000 kg de biodiesel se emíten 4636 kg de CO 2 Para producir la energía en el coche equivalente a 1 kg de gasoil se requieren 1.22 litros de biodiesel que contienen kcal en su producción se han invertido kcal La combustión en el motor del coche de 1 kg de gasoil supone la emisión a la atmósfera de 3700 kg de CO 2 En la producción y procesado del biodiesel se han emitido 5674 kg de CO 2 Con lo que el supuesto ahorro de emisiones supone emitir 1974 gramos de CO 2 en exceso ENERGÍA Emisiones de CO2 cultivo; coproductos; cultivo; 4231 gasoil; 3305 energía del biodiesel; 9000 proceso industrial; 1443 proceso industrial; 3931 Arriba: Balance energético en la producción de un litro de bioetanol a partir del grano de maíz. En términos energéticos la energía que se debe de invertir en el cultivo más la energía del proceso industrial resultan prácticamente igual a la energía que se recupera en el bioetanol con lo que el balance del proceso es prácticamente nulo. Los residuos de la destilación, ricos en proteínas y fácilmente disgestibles aportan una cantidad extra de energía si se utilizan como pienso para el ganado. Abajo: Las emisiones de CO 2 que se producen en el cultivo más las que se producen en el proceso industrial resultan ligeramente superiores a las de la gasolina que puede substituir el bioetanol con lo que el balance de emisiones de CO 2 resulta negativo. Se emite más CO2 a la atmósfera en la producción de bioetanol que con el uso de la propia gasolina fósil convencional. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

16 Biodiesel obtenido del aceite de Jatropha curcas Jatropha curcas es una especie nativa de América Tropical, cultivada desde tiempos precolombinos y posiblemente introducida y naturalizada en esta zona, por lo que su distribución original no se conoce con exactitud, aunque crece en la mayoría de los países tropicales en los que se la conoce con nombres muy diferentes (coquito en Costa Rica, tempate en Nicaragua, tuba-tuba en Filipinas, etc.). Se trata de un arbusto o árbol pequeño, caducifolio, de la familia Euphorbiaceae. En condiciones muy favorables puede alcanzar un porte de hasta 8 m de altura, aunque normalmente no pasa de los 3 ó 4 metros, y cuyo tronco alcanza un diámetro de hasta 20 cm, con fuste ramificado a poca altura (figura 5.9). El tronco y las ramas poseen una corteza verde amarillenta, pálida y casi lisa cuyas capas exteriores se desprenden fácilmente en tiras horizontales. Exuda una savia amarillenta de sabor astringente. Figura 5.9. Jatropha curcas. Planta de más de 15 años de edad en la isla de Palawan (Filipinas). Crece mayormente a bajas elevaciones, por debajo de los 1200 msnm, con precipitaciones de 300 a 1800 mm y temperaturas de 18 a 28 C, aunque se planta en localidades con temperaturas de hasta 34 C. Resiste la sequía y se adapta a gran variedad de suelos. Crece bien en suelos bien drenados y bien aireados incluyendo los de bajo contenido de nutrientes. En suelos muy compactados, la formación de raíces se ve limitada. Sus raíces resultan muy sensibles a la anoxia por lo que no soporta los suelos con escaso drenaje que se encharcan con facilidad. Se planta en densidades que varían desde 1100 a 2500 plantas /ha es decir con distancias entre plantas de entre 2 y 3 metros. La siembra directa de semillas, se efectúa al inicio de la época de lluvia sembrando las semillas a una profundidad de dos ó tres centímetros. También resulta posible establecerla mediante esquejes de plantas cuya edad sea mayor de un año. Los esquejes, con longitud entre sesenta y ciento veinte centímetros, se siembran a una profundidad de veinte centímetros, uno ó dos meses antes de la época de lluvia. En las fases iniciales de la plantación se puede aprovechar el espacio entre hileras para realizar otro cultivo, tales como maíz, pimiento, tomate o forrajeras (figura 5.10). Se trata de una planta de crecimiento muy rápido como puede apreciarse en la tabla 5.4 pero su ciclo productivo se extiende de 40 a 50 años. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

17 Tabla 5.5. Crecimiento inicial de Jatropha curcas. Estadio Edad (días) Altura (cm) Invernadero Endurecimiento Traslado al campo Floración Primera fructificación Primera cosecha Fructifica por primera vez a los 285 días de su germinación, momento en que su altura supera ya los 160 cm. A partir de ese momento produce unos frutos esféricos u ovoides de 2 a 4 cm de diámetro, algo carnosos de color verde inicialmente, que se tornan amarillos al principio de la maduración para adquirir un color marrón obscuro al madurar. El desarrollo del fruto requiere 90 días desde la floración hasta la maduración de la semilla. Los frutos están formados por cápsulas drupáceas y ovoides, dehiscentes, que se abren en tres partes una vez maduras. Al abrirse dejan al descubierto tres semillas negras, cada una aproximadamente de dos centímetros de largo y un centímetro de diámetro (figura 5.11). A partir del cuarto o quinto año de edad, la planta produce alrededor de 10 kg de frutos, de los cuales, 4 kg corresponden a la semilla. En un cultivo medio se obtienen rendimientos de 10 t de frutos por hectárea y 3.5 t de semilla aunque la producción es muy sensible tanto al régimen de precipitaciones como a la densidad de la plantación. Figura Detalle de una plantación de Jatropha curcas en Dumaguete (Filipinas). Durante el primer año se aprovecha el espacio entre hileras para el cultivo de maíz. La semilla seca de Jatropha pesa alrededor de los 750 mg. Un 30 por ciento de su peso corresponde al aceite. El 60 por ciento del peso de la semilla corresponde al endosperma y el resto lo forma el pericarpio leñoso (la cáscara) que puede ser aprovechada como fuente de energía. Una vez extraído el aceite, la pasta que resulta de prensar las semillas contiene entre un 53 y un 60 por ciento de proteína con un contenido en nitrógeno que varía entre el 3 y el 4 por ciento, lo que la hace adecuada para su utilización como fertilizante orgánico. Debido a su toxicidad no puede usarse directamente como alimento para animales. Sin embargo, si se somete a un proceso de detoxificación puede usarse sin problema para alimentar vacuno, cerdos y aves. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

18 Figura Detalle de los frutos y semillas de Jatropha curcas. Izquierda: frutos inmaduros. Centro: frutos maduros mostrando la dehiscencia. Derecha: Semillas extraídas de los frutos maduros. La corteza, fruto, hojas, raíces y madera contienen cianuro. Las semillas contienen el alcaloide curcina que les confiere una toxicidad fatal. La ingestión de 2-3 semillas actúa como un purgante fuerte y la ingestión de 4-5 semillas puede causar la muerte. El sabor es semejante al del cacahuete; por esta razón se ha de evitar que los niños lo consuman pues en muchas ocasiones ha tenido resultados fatales. Diversos preparados de la planta, incluyendo las semillas, hojas y corteza, frescas o en decocción, se usan en medicina tradicional y como medicamentos veterinarios por sus efectos diuréticos, para edemas, estreñimiento, fiebres y dolores reumáticos. El látex tiene propiedades antibióticas contra algunas bacterias, además de efectos coagulantes y se aplica directamente en heridas y cortes como antiséptico, y para sarpullidos, quemaduras e infecciones de la piel. El jugo de la hoja tiñe de color rojo y las telas de un color negro indeleble. La corteza contiene un 37 por ciento de taninos que dan un colorante azul oscuro. El látex también contiene un 10 por ciento de taninos y se puede usar como tinta. Tabla 5.6. Componentes de la biomasa aérea y subterránea y de la producción de una plantación de Jatropha curcas de 10 años de edad. Componente de la planta Peso seco % BIOMASA (tm/ha) Biomasa subterránea Biomasa aérea total Biomasa tejidos leñosos Biomasa foliar Biomasa de frutos Biomasa de semillas Biomasa de aceite Total planta PRODUCCIÓN (tm/ha/año) Producción tejidos leñosos 7.00 Producción foliar Producción de frutos Producción de semillas 3.50 Producción de aceite 0.95 Total planta C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

19 Figura Producción de futos de Jatropha curcas durante los diez primeros años de vida. Entre el cuarto y quinto año alcanza su producción máxima que se aproxima a 10 tm ha -1 año -1. Tabla 5.7. Concentración, mineralomasa y requerimientos de los principales elementos en los tejidos leñosos, hojas y frutos de una plantación de Jatropha curcas de 10 años de edad. Los requerimientos se han determinado asumiendo que de la plantación se extrae anualmente la producción de frutos y que las hojas y el resto de materiales se descomponen in situ. Contenido de nutrientes En los tejidos leñosos (aéreos + subterráneos) concentración (mg/g) mineralomasa (kg/ha) Nitrógeno Fósforo Potasio Calcio Magnesio En las hojas Nitrógeno Fósforo Potasio Calcio Magnesio En los frutos Nitrógeno Fósforo Potasio Calcio Magnesio Requerimientos anuales (kg/ha/año) N P K Ca Mg C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

20 total 3797 Mcal/ha herbicidas 0% transporte 5% trabajo personal 19% fertilizantes 52% combustibles 14% semillas 0% maquinaria 10% Figura El cultivo de una hectárea de Jatropha curcas requiere unas entradas de energía de 3797 millones de calorías de las que los fertilizantes (especialmente los nitrogenados) representan la contribución más importante con un 52 por ciento del total. total 8035 Mcal/ha Cultivo 63% transporte 19% Electricidad 8% Planta industrial <1% Reactivos 8% Vapor de agua 2% Figura Distribución de la energía requerida para producir 1000 kg de biodiesel de aceite de Jatropha curcas. Los 1000 kg de biodiesel requieren 8035 millones de calorías o, si se prefiere, 8035 kcal por kg de biodiesel. Dado que la energía del biodiesel es de unas 9000 kcal/kg, en su producción se invierte prácticamente el 90 por ciento de la energía que finalmente se obtiene con lo que el balance neto resulta ser un exiguo 10 por ciento. El cultivo representa el 63 por ciento de la energía invertida. Del resto, que supone el proceso industrial el transporte es el componente más importante y supone el 19 por ciento de los aportes totales de energía. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel

21 Tabla 5.8. Energía invertida en el cultivo y en el procesado industrial de obtención de biodiesel a partir de aceite obtenido de la semilla de Jatropha curcas. CULTIVO (1 ha) kcal/ha CO 2 (kg/ha) Semillas para la siembra del cultivo (kg/ha/año) (a) Maquinaria pesada (kg/ha/año) (b) Fertilizantes Nitrógeno (kg/ha/año) Fósforo (kg/ha/año) Potasio (kg/ha/año) Cal viva (kg/ha/año) Herbicidas (kg/ha/año) Pesticidas (kg/ha/año) Transporte de materiales (kg/ha/año) (c) Trabajo Personal (horas/ha/año) (d) Irrigación (litros/m2) (e) Combustibles Gasoil (l/ha/año) Gasolina (l/ha/año) TOTAL cultivo: Rendimiento del cultivo (kg de semilla/ha): 3000 Contenido de aceite en la semilla (%): 0.25 Producción de biodiesel (kg de biodiesel/ha): 750 CO kcal/1000 l 2 PROCESADO INDUSTRIAL (1000 l) (kg/1000 l) Costo del cultivo para producir 1000 litros de etanol Semillas para producir 1000 kg de biodiesel (kg) (g) 4000 Transporte (a): Peso de grano y biodiesel final (kg) (h) 5000 Distancia de transporte en camión (km) (i) Transporte en barco (solo el biodiesel) (km) (i) Planta de producción (kcal/kg de biodiesel) (j) Metanol (kg) (k) Sosa caústica (kg) (l) Agua (kg) (m) Vapor de agua y ebullición de la mezcla (kg) (n) Electricidad (kwh) (f) TOTAL procesado industrial: TOTAL GENERAL (kcal/1000 kg de biodiesel): Energía del biodiesel: Rendimiento: Productos secundarios: Pasta de las semillas: (o) Glicerina (p) Energía total (biodiesel + pasta+glicerina): Rendimiento final: 1.76 Kg de biodiesel equiv a 1kg de gasoil Emisiones de CO 2 del biodiesel respecto del gasoil 0.89 Considerandolas emisiones por la extraccion y refinado del petróleo (3.7 kg de CO 2 /kg de diesel) 0.80 Notas a pié de tabla: ver las notas de la tabla 5.3. C. Gracia Biocombustibles: energía o alimento? Capítulo 5, Biodiesel