BIOCARBURANTES. Jesús Fernández. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos UNIVERDIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

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1 BIOCARBURANTES Jesús Fernández Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos UNIVERDIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

2 BIOCARBURANTES Biocarburante: Combustible líquido o gaseoso para su uso en transporte, obtenido a partir de biomasa. (Directiva de la UE 2003/30)

3 TIPOS DE BIOCARBURANTES BIOETANOL HIDRATADO (95 %) BIOETANOL ANHIDRO BIOETBE (ETBE a partir de bioetanol) BIOMETANOL BIOMTBE (MTBE a partir de biometanol) ACEITE VEGETAL BIODIESEL BIOHIDRÓGENO BIOGÁS GAS DE SÍNTESIS BIOCARBURANTES DE 2ª GENERACIÓN

4 BIOCARBURANTES BIOCARBURANTES DE 1ª GENERACIÓN BIOETANOL BIODIESEL ACEITES BIOCARBURANTES DE 2ª GENERACIÓN BIOACEITES BIOHIDROCARBUROS ALCOHOLES

5 BIOCOMBUSTIBLES DE 2ª GENERACIÓN MATERIA PRIMA: Biomasa lignocelulósica BIOCARBURANTES POR VIA FERMENTATIVA Bioetanol de celulosa (por via fermentativa) BIOCARBIRANTES POR VIA TERMOQUÍMICA Bioaceite (aceite de pirolisis) Biohidrocarburos por pirolisis y reformado (Proceso KDV) Gasolinas y gasóleos obtenidos por la síntesis de F.T.* Alcoholes obtenidos por via termoquímica F.T. (síntesis de Fischer Tropsch)

6 PREVISIÓN DE LA EVOLUCIÓN DE LOS BIOCARBURANTES EN LA U.E. Fuente: Biofuels in the European Union. A visio for 2030 and beyond

7 BIODIESEL

8 COMPONENTES QUÍMICOS DEL BIODIESEL CH 3 -(C H 2 ) n -C H =C H -(C H 2 ) n -C O O -CH 2 CH 3 -(C H 2 ) n -C H =C H -(C H 2 ) n -C O O -C H + C atalizador (K O H ) + 3 H 2 O CH 3 -(C H 2 ) n -C H =C H -(C H 2 ) n -C O O -CH 2 ACEITE CH 3 -(C H 2 ) n -C H =C H -(C H 2 ) n -C O O H O H -CH 2 CH 3 -(C H 2 ) n -C H =C H -(C H 2 ) n -C O O H + O H -CH CH 3 -(C H 2 ) n -C H =C H -(C H 2 ) n -C O O H O H -CH 2 A C ID O S G R A SO S G L IC E R IN A CH 3 -(C H 2 ) n -C H =C H -(C H 2 ) n -C O O H + O H -CH 3 A C ID O G R A SO M E T A N O L CH 3 -(C H 2 ) n -C H =C H -(C H 2 ) n -C O O -CH 3 + H 2 O E ST E R M E T ÍL IC O (B IO D IE SE L, B IO G A SÓ L E O o D IE ST E R )

9 CARACTERÍSTICAS DE ACEITES VEGETALES EN RELACION AL GASÓLEO CARACTERISTICA COLZA ACEITE DE GIRASOL GASÓLEO DENSIDAD (g/cm 3 ) 0,916 0,924 0,835 PCI ESPECÍFICO (MJ/l) 34,30 34,14 35,00 VISCOSIDAD mm 2 /s 20ºC (*) 77,8 66 4,0 PUNTO DE FUSION ºC Nº DE CETANO (*) Viscosidad cinética. Unidad (cgs): 1 Stokes (S ó St) = 1 cm 2 /s 1 centistokes (cst) = 0.01 St = 1 mm 2 /s

10 PROPIEDADES DE LOS ACEITES Y ESTERES DE GIRASOL Y COLZA, EN RELACIÓN AL DIESEL CARACTERISTICA ACEITE DE ESTER METILICO DE COLZA GIRASOL COLZA GIRASOL GASOLEO DENSIDAD (g/cm 3 ) 0,916 0,924 0,880 0,880 0,835 PCI ESPECÍFICO (MJ/l) 34,30 34,14 33,10 33,04 35,00 VISCOSIDAD mm 2 /s 20ºC (*) 77,8 66 7,5 8,0 4,0 PUNTO DE FUSION ºC Nº DE CETANO 32/ ,8 47/51 51 (*) Viscosidad cinética. Unidad (cgs): 1 Stokes (S ó St) = 1 cm 2 /s 1 centistokes (cst) = 0.01 St = 1 mm 2 /s

11 CARACTERÍSTICAS DEL BIODIESEL EN MOTORES Biodiésel: Metiléster de ácidos grasos que cumpla la Norma EN y las especificaciones del RD 61/2006 Los motores actuales no precisan de ninguna modificación técnica para funcionar con este combustible Únicamente es necesario cambiar el filtro de combustible tras el repostaje de dos depósitos completos, porque el biodiésel arrastra la suciedad dejada por el gasóleo El rendimiento y consumos son similares, porque pese al menor poder calorífico del biodiésel, su mayor oxigenación ayuda a equilibrar, con muy pequeñas diferencias, ambas variables

12 VENTAJAS DEL BIODIESEL Es un combustible renovable Aumenta la vida de los motores por su mayor poder lubricante Supone un ahorro de energía fósil de hasta un 80% en comparación con el diésel EN-590 Reduce de forma importante las emisiones contaminantes de los motores diesel (75% CO 2 ). En los humos reduce la cantidad de partículas (inquemados), CO y aldehidos No contiene azufre ni compuestos aromáticos Es biodegradable, lo que reduce notablemente la afección ambiental en el caso de fugas indeseadas o incidentes en su transporte

13 ACEITE kg CATALIZADOR 9,2 kg de KOH METANOL 156 kg REACTOR BIODIESEL 965 kg GLICERINA 178 kg METANOL 23 kg

14 CULTIVOS TRADICIONALES PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL. Girasol y Colza GIRASOL Producción media en secano: 450 kg/ha Producción media en regadío: 2000 kg/ha Riqueza media en aceite de la pipa: 45 % SUPERFICIE CULTIVADA EN ESPAÑA ha (80 % secano)

15 CULTIVOS TRADICIONALES PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL. Girasol y Colza COLZA Producción media en secano: 1040 kg/ha Producción media en regadío: 1400 kg/ha Riqueza media en aceite de la pipa: 40 % SUPERFICIE CULTIVADA EN ESPAÑA ha (17 % secano)

16 BIOETANOL

17 VIAS DE OBTENCIÓN DEL BIOETANOL BIOMASA AZUCARADA BIOMASA AMILÁCEA BIOMASA CELULÓSICA Hidrólisis convencional Hidrólisis fuerte MOSTO FERMENTABLE Fermentación Destilación ETANOL HIDRATADO Deshidratación ETANOL DESHIDRATADO

18 FERMENTACIÓN ALCOHOLICA RESPIRACIÓN AEROBICA C 6 H 12 O 6 6 CO H 2 O + 38 ATP + CALOR (GLUCOSA = 686 kcal) (38 ATP producen 277,4 kcal) Rendimiento en Energía Química: 277,4 / 686 = 0.4 FERMENTACION DE LA LEVADURA C 6 H 12 O 6 2 CO2 + 2 CH3-CH2OH + 2 ATP + CALOR (GLUCOSA) (ETANOL) RENDIMIENTO ENERGETICO TEÓRICO Poderes Caloríficos (kcal/mol): Glucosa : 686; Etanol : 2 X 316 = 620; ATP: 2 x 7.3 = 14.6 Rendimiento del Etanol: 620/686 = 0.9 RENDIMIENTO ENERGÉTICO PRÁCTICO A partir de 100 g de Glucosa se obtienen 50 ml d'etanol Rendimiento Energético: 0.7

19 RELACIÓN DE COMPRESIÓN DE UN MOTOR (RC) ÍNDICE DE OCTANO: Resistencia que presenta un combustible a detonar prematuramente cuando su mezcla con aire es comprimida en el cilindro de un motor. También se denomina RON (Research Octane number) Índices de octano Gasolina normal Etanol anhidro 105 Eurosuper normal 95 Etanol hidratado 110 Eurosuper extra 98 Gases licuados GLP > 100 J. Fernández U.P.M.

20 UTILIZACIÓN DEL BIOETANOL EN MOTORES Primer combustible en motores con ciclo Otto Buen comportamiento de los motores en mezclas con <20% alcohol Ventajas: Índice de octano elevado (admite relación de compresión de 12.0 a 1, frente a los 10.3 a 1 de la gasolina de 96 octanos) Pocos residuos en la combustión Menor emisión de gases tóxicos en el escape Mayor potencia y mayor par motor para el mismo contenido energético Inconvenientes: Menor poder calorífico (6400 kcal/litro); mas consumo Acción corrosiva Residuos de destilación y subproductos contaminantes (costes) Elevada temperatura de vaporización Presencia de agua (consumo, inflamabilidad, mezcla fraudulenta)

21 USOS DEL BIOETANOL COMO CARBURANTE BIOETANOL HIDRATADO (95 %) - En motores de explosión modificados (Brasil) BIOETANOL DESHIDRATADO - Mezclas con gasolinas - Tradicional (5-10 %) - Países tropicales (20 %) - Vehículos flexibles (0-85 %) FFV - Mezclas con gasóleos - En experimentación (10 15 %). (Necesita aditivos). Pruebas en varios países (Suecia, Francia España) - Para síntesis del ETBE (Etil-terbutil-eter). Aditivo antidetonante.

22 PROPIEDADES DEL ETANOL ANHYDRO E HIDRATADO EN RELACIÓN A LA GASOLINA NORMAL PROPIEDAD GASOLINA ETANOL ANHIDRO ETANOL HIDRATADO Fórmula química Peso molecular Densidad a 20ºC Relación estequiométrica % carbono (en peso) % hidrógeno (en peso) % oxígeno (en peso) Ebullición (principio) [ºC] Ebullición (final) [ºC] Calor latente de vaporización [kcal/kg] Autoignición ºC Poder calorífico inferior [kcal/kg] Indice de octano (RM) Indice de octano (MM) Grado alcohólico en volumen (CH)x 114 0,73 15,2 / C 2 H 5 OH 46 0,79 9,0 / ,3 78, ,5 C 2 H 5 OH. 19H 2 O - 0,81 8,3 / ,2 78,

23 REMOLACHA (Beta vulgaris) Rendimiento medio de la cosecha de raíces: 70 t/ha Rendimiento en etanol : 10 t de raíces /m 3 de etanol Producción potencial media de etanol: 7 m 3 /ha Coste de la materia prima: 0,24 0,48 /l (según el tipo) Desventaja: BALANCE ENERGÉTICO NEGATIVO

24 CAÑA DE AZUCAR (Saccharum officinarum L.) Rendimiento medio: t m.f./ha (30-50 t m.s./ha) Rendimiento en etanol : t de tallos frescos /m 3 de etanol Producción potencial media de etanol: 4 7 m 3 /ha BALANCE ENERGÉTICO EN LA DESTILACIÓN Bagazo 150 kg/ t de caña procesada (2,5-3 kg/l etanol) de 2,5-3 Mcal/kg Requerimiento medio por litro de etanol: 4,22 Mcal

25 CEREALES, CULTIVOS PRODUCTORES DE BIOMASA AMILÁCEA Rendimiento medio de la cosecha de cereales en España: Cereales de invierno (trigo y cebada) Secano: 2,7 t/ha Regadío : 4,3 t/ha Maíz (regadío) : 10 t/ha Rendimiento en etanol : 2,5-3 t de grano /m 3 de etanol Desventaja: BALANCE ENERGÉTICO

26 CULTIVOS ALTERNATIVOS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL Cynara (Cynara cardunculus) Carinata (Brassica carinata) Ricino (Ricinus communis) Palma oleífera (Eleais guinensis) Jatropa (Jathropa curcas)

27 Cynara (Cynara cardunculus L.)

28 Cynara cardunculus (cardo) Producción media: 15 t de biomasa (m.s.) / ha 1,5 t de frutos (375 kg de aceite) 13,5 t de biomasa seca

29 Carinata (Brassica carinata A. Braun) Biomasa: 8 15 t /ha Semillas 1,5 3 t / ha Ventaja: Silicuas indehiscentes Inconvenientes: Sensible al frio Necesita pluviometría elevada La biomasa contiene azufre J. Fernández U.P.M.

30 Palma oleífera (Elaesis guineensis Jacq.) A partir de la pulpa de los frutos kg aceite/ha palmítico % oléico % linoleico 7,5-11 % A partir de las semillas kg / ha muy rico en insaturados (80 %) principalmente ácido láurico

31 Ricino (Ricinus communis L.) (higuerilla) Euforbiácea Producción en España (Murcia) kg de semillas / ha Producción en Brasil kg de semillas /ha Semilla: % de aceite ácido ricinoleico 89 % (18 C) monoinsaturado

32 Jatropa (Jatropha curcas) Euforbiácea Frutos con 30 % de aceite oléico 40 % linoléico 30 % palmítico 15 % esteárico 6 % Producción de aceite: 1600 kg/ha

33 CULTIVOS ALTERNATIVOS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOETANOL - Pataca (Helianthus tuberosus L.) - Sorgo azucarero (Sorghum bicolor Moench.) - Chumbera (Opuntia ficus-indica (L.) Miller)

34 PATACA Ó TUPINAMBO (Helianthus tuberosus L.)

35 Tubérculos de pataca

36 SEGADO Y PICADO DE LOS TALLOS SECOS DE PATACA

37 Pataca (Helianthus tuberosus L.) Producción: t tubérculos/ha + 10 t tallos/ha Producción de etanol: 1 l / 12 kg tubérculos RENDIMIENTO: litros etanol/ha NUEVO ENFOQUE Obtención de azúcares a partir de los tallos, antes de que se trasloquen a los tubérculos

38 SORGO AZUCARERO (Sorghum bicolor (L.) Moench.)

39 SORGO AZUCARERO (Sorghum bicolor (L.) Moench.) Producción: 22 t biomasa aérea (m.s.)/ha Tallos: 70-80% (base de m.s.) Azúcares en el tallo: 24% sacarosa, 9% glucosa, 6% fructosa Producción de azúcares: 7-12 t azúcar / ha Producción de etanol: 1 l / 15 kg tallos (mf) RENDIMIENTO: l ETANOL/HA

40 CHUMBERA (Opuntia ficus-indica L.)

41 CHUMBERA (Opuntia ficus-indica L.)

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