BIOCARBURANTES, PRESENTE Y FUTURO Claves de la sostenibilidad

Transcripción

1 BIOCARBURANTES, PRESENTE Y FUTURO Claves de la sostenibilidad Francisco Cabello Pérez Tutor: D. Pedro Ollero de Castro Master en Tecnología Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Noviembre 2012

2 Antecedentes Antecedentes El presente Trabajo Fin de Master pertenece al Master en Tecnología Química y Ambiental, impartido en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros (ETSI) de la Universidad de Sevilla. Ha sido realizado por el alumno D. Francisco Cabello Pérez. El trabajo se ha desarrollado dentro del departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la ETSI. El tutor por parte del departamento de la Universidad de Sevilla ha sido el Catedrático de Ingeniería Química D. Pedro Ollero de Castro. La temática del mismo viene motivada por dos razones principales, en primer lugar el interés que despiertan hoy día los biocombustibles en general, y los biocarburantes en particular, dentro del escenario presente y futuro de las energías renovables, en segundo lugar los aspectos relativos a su sostenibilidad que se pretenden evaluar. El trabajo consta de varios bloques en los que se analizarán los biocarburantes existentes actualmente así como otros emergentes, además de las distintas tecnologías de producción y un análisis de los mismos desde un punto de vista económico, legal y medioambiental. Así se encontrará una introducción dónde se expone una rápida visión de los biocarburantes y su clasificación, y del momento que atraviesa el sector de los biocarburantes en España y el mundo. Se analiza la necesidad de producción de biocarburantes de nueva generación para satisfacer una serie de requisitos y la necesidad global de biocarburantes para el transporte. Seguidamente se encuentra un apartado donde se ampliarán los conceptos de biocarburantes, se detallan sus aspectos mas ventajosos y más limitantes, y se reflejan las características físico - químicas de los actuales biocarburantes (bioetanol y biodiesel) y de otros con futuro prometedor como son el DME y el diesel FT. El trabajo continua con un apartado dedicado a las tecnologías de producción de biocarburantes, dónde se diferencian las actuales (1G) con mayor nivel de detalle y se hace una aproximación a tecnologías en desarrollo (2G) que son apuestas de futuro bien por sus procesos o productos innovadores o por promover la utilización de nuevas materias primas que generen síntesis más eficientes, sostenibles y económicas. Algunos de estos procesos son los que permiten obtener biobutanol, biomtbe, o producir biocarburantes a partir de algas, chumberas, sorgo o residuos. Más adelante se analiza la producción de biocarburantes desde tres puntos de vista. Primero se analiza la capacidad productora en España analizando las plantas que ahora mismo existen en nuestro país; tras esto se hace un análisis de los costes de producción de los biocarburantes, para cerrar con un capitulo dedicado a evaluar los criterios que hacen sostenibles a los biocarburantes en España y Europa, y que se deben cumplir. Por último se hace un recorrido por todo el marco legal aplicable e influyente en el ámbito de los biocarburantes en España y la UE, para acabar exponiendo una hoja de ruta y posibles pasos a seguir en el caso de España, las conclusiones y las referencias bibliográficas. Francisco Cabello Pérez 2

3 Antecedentes El objeto del trabajo no es otro que saber dónde están situados los biocarburantes en el escenario actual y global de las energías renovables, analizar su sostenibilidad económica y medioambiental, y sus posibles pasos en el futuro. Francisco Cabello Pérez Sevilla, Noviembre 2012 Francisco Cabello Pérez 3

4 Índice Índice 1. Introducción Requisitos para la nueva generación de biocarburantes El sector transporte: la necesidad de biocombustibles líquidos Biocarburantes Concepto Aspectos positivos y negativos de los biocarburantes Bioetanol y biodiésel: Particularidades Diesel FT y DME Tecnologías de producción Actuales (1G) En desarrollo (2G) Producción de biocarburantes Plantas de producción Economía de la producción de biocarburantes Sostenibilidad de los biocarburantes Coproductos Marco legal del sector biocarburantes Ámbito Europeo Ámbito Español Hoja de ruta para los biocarburantes Los biocombustibles como solución Posibles pasos a seguir en España Conclusiones Bibliografía...81 Francisco Cabello Pérez 4

5 Introducción 1. Introducción Las fluctuaciones del precio del petróleo y la incertidumbre sobre las reservas del mismo es uno de los retos para el sector del transporte y para la economía mundial. A estos problemas hay que añadir la significativa contribución del transporte en el cambio climático y la necesidad de asegurar el abastecimiento energético mediante la diversificación de las fuentes de combustible. Ante esta situación, los biocarburantes están adquiriendo una fuerza cada vez mayor en el panorama internacional, al constituirse como una alternativa real frente a los combustibles fósiles. A la hora de hablar de los biocarburantes existe una primera división entre los de primera generación y segunda generación. Aunque no es del todo clara, se consideran de segunda generación aquellos que utilizan materias primas no convencionales (biomasa lignocelulósica, residuos agrícolas, fracción orgánica de RSU, algas), los que se obtienen a partir de procesos complejos (Fischer-Tropsch) y presentan una elevada capacidad de reducción de emisiones de efecto invernadero y de ahorro energético. El problema de esta tipología es que no es una alternativa factible a corto plazo, ya que está empezando a dar sus primeros pasos. Según la IEA (International Energy Agency), se puede hacer la siguiente clasificación: - Biocombustibles de Primera generación: Son aquéllos que en la actualidad ya han alcanzado la etapa de producción comercial. En general, proceden de cultivos que utilizan técnicas similares a las de las cosechas agrícolas alimenticias. - Biocombustibles de Segunda generación o lignocelulósicos: No compiten por la utilización de suelos agrícolas, sino que son producidos a partir de biomasa lignocelulósica como la contenida en la paja, hierba, tallos, cañas, raíces, madera, cáscaras, etc. Los biocombustibles de segunda generación se encuentran en fase precomercial. - Biocombustibles de Tercera generación: Son, principalmente, los aceites procedentes de algas y otros microorganismos, así como el hidrógeno procedente de la biomasa. Aún se encuentran en una fase incipiente de desarrollo, muy lejos de su producción a gran escala y, por tanto, de su comercialización, por lo que se espera que no se alcance una gran producción en el corto plazo. Se empieza a hablar de una cuarta generación de biocombustibles basada en procesos termoquímicos y bioquímicos [GTM Research, 2010]. En cuanto a las aplicaciones, los biocombustibles líquidos o gaseosos son un buen sustituto porque pueden ser utilizados en vehículos de ignición por compresión (diesel) y por chispa (gasolina) y en calderas. Además pueden usarse en estado puro o mezclados con combustibles fósiles siempre que las mezclas cumplan con la normativa, porque aunque generalmente los fabricantes de vehículos no garantizan la mezcla por encima del 5%, hay varias experiencias del correcto funcionamiento de mezclas elevadas. Francisco Cabello Pérez 5

6 Introducción Los biocarburantes se perfilaban como la gran promesa de las energías limpias y como solución a la dependencia del petróleo. A principios de esta década Europa se fijó ambiciosos objetivos y España prometió situarse en la vanguardia. La primera fase ha sido introducir hasta un 5% de combustible de origen vegetal, bioetanol a la gasolina y biodiesel al diesel de origen fósil que consumen todos los coches. Pero la siguiente fase, que obliga a adaptar los coches para asumir mezclas más verdes, ofrece más incertidumbre. Ni las estrategias de los fabricantes ni las apuestas políticas parecen ir ya en la misma dirección. La gran apuesta de la automoción en Europa parece ahora el coche eléctrico. Se han quedado definitivamente atrás los biocarburantes en la carrera de la energía sostenible? La generalización de los B20 y B30 (mezclas con un 20% y 30% de biocarburante, respectivamente) parece más lejana. Las normas que deben fijar los estándares se retrasan. Algo que inquieta a la industria, ya muy castigada por las importaciones, y la controversia sobre la responsabilidad de estos carburantes en la deforestación y encarecimiento de los alimentos, que ha llevado a los científicos a abrir nuevas líneas de investigación en busca de materias primas que no compitan con la industria alimentaria. La UE se ha marcado el objetivo de que las energías renovables supongan el 10% de la empleada en el transporte en 2020 (responsabilidad que recae principalmente en los biocarburantes, dada la escasa presencia del coche eléctrico en las carreteras) y España se impuso alcanzar un 5,83% en 2009, una meta que no se logró finalmente. En 2009 se matricularon vehículos en España, de los que sólo 900 funcionaban con mezclas etiquetadas de biocarburantes [4]. Los coches flexibles, que aceptan biocarburante o convencional, llevan años en el mercado pero no alcanzan el 1. Si la estructura de los proveedores de combustibles tradicionales era de pocos abastecedores con gran capacidad individual, en el caso de los biocombustibles, el número de proveedores es mayor y su capacidad de producción relativamente baja, lo que configura un mercado muy heterogéneo y hace necesario un control muy riguroso. En España hay medidas fiscales importantes, como el tipo cero que se aplica a los impuestos de los biocarburantes hasta el 31 de diciembre de 2012 en la Ley de Impuestos Especiales para hidrocarburos, pero parece que no se consigue persuadir a los fabricantes. Las medidas más efectivas para ganarse el favor de los fabricantes de automóviles serían fiscales. Por otra parte, ahora el transporte de las mezclas etiquetadas de biodiésel y todas las de bioetanol se hace por carretera porque no pueden compartir los oleoductos que se utilizan para los carburantes convencionales, ya que podrían alterar la calidad de otros productos. Por eso, las mezclas etiquetadas de biodiésel y todas las de bioetanol se mezclan en los camiones que las transportan desde las plantas de almacenamiento de las operadoras logísticas a las estaciones de servicio. El transporte por oleoducto es más eficiente que por carretera, pero un oleoducto para el bioetanol requeriría uso exclusivo, algo que no tiene sentido atendiendo a la rentabilidad. Francisco Cabello Pérez 6

7 Introducción La controversia en torno a la sostenibilidad de los biocombustibles es otro escollo a salvar. La Directiva de 2009 garantiza, sin embargo, que no podrán utilizarse en la UE biocarburantes que no disminuyan como mínimo en un 35% las emisiones de gases de efecto invernadero respecto a los combustibles fósiles, además de otras cláusulas respecto al uso de la tierra y la preservación del medioambiente Requisitos para la nueva generación de biocarburantes A corto/medio plazo, los biocarburantes similares a los actuales basados en carbono, son la solución más inmediata y realista. Para ser una alternativa coherente los biocarburantes han de satisfacer una serie de criterios, como pueden ser: - Disponibilidad de recursos/materias primas para su producción. - Seguridad de suministro/diversificación de esos recursos. - Bajas emisiones GEI de toda la cadena (WTW). - Bajas emisiones locales (especialmente en zonas de tráfico intenso). - Infraestructura de distribución existente. - Complejidad del vehiculo: motor, tamaño depósito. - Eficiencia energética WTW (MJ/100 km). - Rendimiento por ha de cultivo (km/ha). - Coste de producción/coste de GEI evitado. - Flexibilidad de uso tipo de motor, puro o mezcla, pila combustible. - Aceptación social, seguridad uso, toxicidad. - Empleo rural Los biocarburantes de primera generación no satisfacen plenamente los requisitos anteriores. Principalmente: - Disponibilidad de recursos: Competición sector alimenticio. - Bajas producciones por ha (excepto de caña de azúcar en Brasil). - Baja eficiencia WTW. - Elevado cotes ( /l y /tn GEI) (excepto de caña de azúcar en Brasil). - Emisiones GEI no muy bajas. Es por ello que cada día se avanza más en el desarrollo de los biocarburantes de 2ª y 3ª generación. A continuación se incluye un gráfico (Fig. 1.1) en el que se muestran distintas rutas para la producción de los distintos tipos de biocombustibles líquidos: Francisco Cabello Pérez 7

8 Introducción Fig. 1.1: Esquema de las distintas rutas para la producción de biocombustibles líquidos e hidrógeno gaseosos a partir de biomasa. [40] El sector transporte: la necesidad de biocombustibles líquidos Las energías renovables tienen un papel fundamental en el cumplimiento de los objetivos 20/20/20 para 2020, que consisten en disminuir un 20% las emisiones de gases de efecto invernadero, mejorar en un 20% la eficiencia energética y conseguir que un 20% de la energía provenga de fuentes renovables. En España, en 2007, un 8,7% de la energía primaria se obtuvo a partir de fuentes renovables. Así, para alcanzar una participación del 20% de energías renovables sobre el consumo final en 2020, el sector eléctrico deberá contar con un 40% de su producción a partir de este tipo de tecnologías y el 10% del consumo energético del transporte deberá tener su origen en fuentes renovables. Bajo este escenario parece necesario analizar las implicaciones de los objetivos de este Paquete Verde y tener en cuenta los resultados de las simulaciones a nivel europeo y español que visualizan el potencial realizable. El grado de desarrollo de las diferentes tecnologías de aprovechamiento de las energías renovables es muy variable. Algunas se encuentran en la fase en la que los costes son similares a los de las llamadas fuentes convencionales y otras necesitan un gran impulso para alcanzar los umbrales de competitividad. El transporte absorbe cerca del 20% del uso global de energía y es responsable de un 23% de las emisiones de CO2 de origen energético (IEA, 2009). En el caso de EE UU, el porcentaje de emisiones provenientes de dicho sector está por encima del 30%, y en España casi alcanzó el 40% en De esta manera el petróleo domina hoy casi absolutamente el suministro de energía al sector transporte. Esto es así hasta el punto de que la IEA define el escenario de referencia Francisco Cabello Pérez 8

9 Introducción para sus análisis como uno en el que el petróleo sigue abasteciendo alrededor del 90% del combustible del sector transporte en 2050 (IEA, 2009). Dicho escenario de referencia refleja sencillamente las tendencias actuales en ausencia de nuevas políticas. En ese marco, las proyecciones apuntan a un aumento del 50% en el uso de energía y las emisiones del trasporte en 2030, y de más del 80% en Un futuro insostenible. Cualquier objetivo de reducción de las emisiones globales (estabilizar la concentración de GEI a 450 ppm de CO2 equivalente) exige una actuación contundente sobre las emisiones del sector transporte. Todos los modos de transporte en todos los países necesitarán reducir sus emisiones significativamente. Para ello será necesaria tanto la adopción de nuevas tecnologías para los vehículos y los combustibles, como un cambio en los patrones de transporte de mercancías y pasajeros hacia modos más eficientes. A corto plazo la implementación de objetivos de eficiencia parece decisiva. El escenario de partida, sin embargo, se presenta complicado. En la última década el volumen de comercio mundial ha venido creciendo a tasas superiores a las del crecimiento del PIB real. Esta expansión del comercio ha tenido consecuencias evidentes sobre el transporte de mercancías y pasajeros que alcanzó su máxima intensidad el primer trimestre de La tabla que sigue muestra un poco de evidencia relevante para algunos países (Tabla 1.1): Tabla 1.1: Escenario macroeconómico, tendencias del transporte y sus emisiones. [40] Como muestra la comparativa, España presenta los mayores ritmos de crecimiento de las emisiones en el sector transporte, en los pasajeros por kilómetro, en el transporte de mercancías, etc. De hecho, esto es así si comparamos España con la gran mayoría de los países de la OCDE, por lo que podemos tomar su experiencia para narrar la amenaza. Francisco Cabello Pérez 9

10 Introducción La economía española experimentó entre 1995 y 2007 uno de sus ciclos expansivos más importantes. Uno de sus efectos ha sido el enorme aumento de la demanda de transporte, tanto de uso privado como de mercancías, terrestre, aéreo o marítimo. Entre los distintos subsectores, el más destacado sigue siendo, con diferencia, el transporte por carretera. Este sector es en la actualidad uno de los más importantes en Europa y sus ritmos de crecimiento están entre los más elevados, duplicando e incluso triplicando el de países como EE UU, Alemania o Italia como muestra la tabla. Por ejemplo, entre 1995 y 2007 el número de pasajeros por kilómetro creció en España un 60% (un 4% anual), y las mercancías transportadas aumentaron un 136% (más de un 7% anual). En ambos casos, los crecimientos fueron claramente superiores al PIB real y a la población nacional, que fueron del 3,7% y 1,1% anual, respectivamente. Asimismo, las emisiones de CO2 provenientes del sector transporte aumentaron en España en este periodo un 74% (un 4,7% anual), notablemente superior al ya importante crecimiento que han sufrido las emisiones totales, del 53% (un 3,6% anual). Podemos asegurar que el sector transporte es uno de los causantes del alejamiento de la economía española de los objetivos marcados por el Protocolo de Kioto. No es el único caso. Parece incuestionable, por tanto, el tamaño del daño ocasionado por la quema de combustibles fósiles en el sector transporte. Hay alternativa? A medio plazo será clave la definición de la nueva tecnología. La cuestión es precisar la evolución en el tiempo de la combinación de biocombustibles avanzados y de bajas emisiones, electricidad e hidrógeno, que va a reemplazar la participación del petróleo y otros combustibles fósiles en el transporte (Fig. 1.2). Del mismo modo que hay muchas esperanzas depositadas en el desarrollo del vehículo eléctrico, también hay certeza acerca de las limitaciones que dicha opción tecnológica representa para camiones, aviones y barcos en el horizonte de referencia de 2050 en todas partes, e incluso para vehículos ligeros en algunas regiones. Fig. 1.2: Estado del desarrollo de cada una de las tecnologías dentro de las empleadas para la producción de biocombustibles. [40] En este trabajo se evaluarán estas y otras cuestiones de ineludible interés a la hora de concretar las posibilidades reales y la potencialidad de los biocarburantes como energía renovable en el futuro. Francisco Cabello Pérez 10

11 Biocarburantes 2. Biocarburantes 2.1. Concepto Atendiendo al origen de término y las definiciones de la RAE: - Combustible (de combusto): adj. Que puede arder. adj. Que arde con facilidad. m. Leña, carbón, petróleo, etc., que se usa en las cocinas, chimeneas, hornos, fraguas y máquinas cuyo agente es el fuego. - Carburante (del ant. part. act. de carburar): m. Mezcla de hidrocarburos que se emplea en los motores de explosión y de combustión interna. Añadiendo el prefijo "bio-" de forma restrictiva: - Biocombustible: Cualquier combustible de origen biológico no fosilizado. - Biocarburante: Un subgrupo de los biocombustibles, caracterizados por la posibilidad de aplicación a los actuales motores de combustión interna. Según la Directiva 2009/28/CE, en su artículo 2: Biocarburante: un combustible líquido o gaseoso utilizado para el transporte, producido a partir de la biomasa. Estos combustibles de origen biológico pueden sustituir parte del consumo en combustibles fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón. Los biocarburantes más usados y desarrollados son el bioetanol y el biodiesel: - El bioetanol, también llamado etanol de biomasa, se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar, remolacha o de algunos cereales como trigo o cebada. En 2006, Estados Unidos fue el principal productor de bioetanol (36% de la producción mundial), Brasil representaba el 33,3%, China el 7,5%, la India el 3,7%, Francia el 1,9% y Alemania el 1,5%. La producción total de 2006 alcanzó millones de litros [54]. - El biodiésel, se fabrica a partir de aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. En este último caso se suele usar raps, canola, soja o jatrofa, los cuales son cultivados para este propósito. Francisco Cabello Pérez 11

12 Biocarburantes Otras alternativas, como el biopropanol o el biobutanol, son menos populares, pero no pierde importancia la investigación en estas áreas debido al alto precio de los combustibles fósiles y su posible agotamiento. En base a la normativa comunitaria se considerarán biocarburantes al menos los productos enumerados a continuación: - Bioetanol: Etanol producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa o de la fracción biodegradable de los residuos. - Biodiésel: Éster metílico producido a partir de un aceite vegetal o animal de calidad similar al gasóleo, para su uso como biocarburante. - Biogás: Combustible gaseoso producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos y que puede ser purificado hasta alcanzar una calidad similar a la del gas natural, para uso como biocarburante, o gas de madera. - Biometanol: Metanol producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa. - Biodimetiléter: Dimetiléter producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa. - BioETBE (etil ter-butil éter): ETBE producido a partir del bioetanol. La fracción volumétrica de bioetbe que se computa como biocarburante es del 47 %. - BioMTBE (metil ter-butil éter): Combustible producido a partir del biometanol. La fracción volumétrica de biomtbe que se computa como biocarburante es del 36 %. - Biocarburantes sintéticos: Hidrocarburos sintéticos o sus mezclas, producidos a partir de la biomasa. - Biohidrógeno: Hidrógeno producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos para su uso como biocarburante. - Aceite vegetal puro: Aceite obtenido a partir de plantas oleaginosas mediante presión, extracción o procedimiento comparable; crudo o refinado, pero sin modificación química, cuando su uso sea compatible con el tipo de motor y las exigencias correspondientes en materia de emisiones Aspectos positivos y negativos de los biocarburantes Aspectos positivos Las ventajas de los biocarburantes con respecto los carburantes fósiles son varias. Los beneficios medioambientales asociados al consumo de biocarburantes han sido documentados y demostrados por entidades reconocidas a nivel mundial, como son el Panel Internacional contra el Cambio Climático (IPCC) de la ONU, la Agencia Internacional de la Energía (AIE), CONCAWE, CIEMAT o la misma Comisión Europea. Entre estos beneficios, destacan particularmente la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), la disminución de la contaminación atmosférica y la mejora de la eficiencia energética (Fig. 2.1). Francisco Cabello Pérez 12

13 Biocarburantes Además, los biocarburantes son los únicos combustibles sostenibles al asegurar que cumplen una serie de requisitos medioambientales. La Directiva de Promoción de Energías Renovables (DER) introduce los siguientes criterios de sostenibilidad: - Reducción de los gases de efecto invernadero en más de un 35% respecto a los carburantes fósiles (Fig. 2.2). - No utilizar tierras protegidas o con elevado contenido en biodiversidad. - No utilizar tierras con elevados stocks de carbono, como humedales. - Las materias primas europeas han de ser cultivadas bajo estrictos criterios de sostenibilidad. Adicionalmente a la Directiva, existen acuerdos internacionales tales como el Round Table on Sustainable Biofuels (RSB), actualmente en desarrollo, o el Round Table on Sustainable Palm Oil (RSPO), que recientemente ha entrado en funcionamiento, que aseguran la sostenibilidad de la materia prima utilizada para producir biocarburantes. Aparte de los beneficios medioambientales, el desarrollo de un mercado y una industria sólida de biocarburantes supone una serie de beneficios sociales y económicos, entre los que destacan la reducción de la dependencia energética, el aumento de la diversificación de suministro, la mejora de la balanza comercial, el incremento del rendimiento de los vehículos y el impulso en favor del sector agrícola. Fig. 2.1: Emisiones en el ciclo de vida de los biocarburantes. [54] Resumiendo algunos de los puntos positivos: - Disminuyen la dependencia exterior del petróleo. - Se obtiene experiencia en producción de biocarburantes. - Se pueden crear puestos de trabajo. - Se obtiene reconocimiento como país verde. Francisco Cabello Pérez 13

14 Biocarburantes - Mejoran el ambiente reduciendo emisión de gases peligrosos y contaminantes. - Pocas complicaciones mecánicas para el uso de biocombustibles. - Fuente alternativa de energía. - Hace más rentable y diversificada la producción agrícola. - Utilización de subproductos para otros usos. - Promueve la creación de empresas nacionales. - Mejora rentabilidad de los cultivos. - Se logra una mayor conciencia del uso de los recursos naturales. - Sustitución del MTBE como oxigenante. - Mayor versatilidad económica y energética para la industria agrícola. - Reducción de huella ecológica del país. - Utilización de la capacidad instalada actual. - No presenta impactos alimentarios. - No daña ni requiere modificación a vehículos (caso E5/E10). - Mejora la vida del suelo. - Son compuestos exentos de azufre. Fig. 2.2: Comparativa de emisiones de diferentes carburantes. [36] Aspectos negativos Su elevado coste de producción, mucho mayor que el de los carburantes procedentes del petróleo, hace que en la actualidad sea imposible producir biocarburantes de forma competitiva sin la existencia de subvenciones y exenciones de impuestos de los Gobiernos. Según datos de la Comisión Europea se calcula que la producción de bioetanol es rentable a partir de un precio del crudo de 90$/barril. En el caso del biodiesel a partir de 60$/barril [9]. Francisco Cabello Pérez 14

15 Biocarburantes El cultivo desordenado que puede afectar a los precios de alimentos para el consumo humano. La deforestación de zonas sensibles si el cultivo no se realiza con criterios de sostenibilidad. Para bioetanol: Presenta un consumo (litros/100 Km.) un 40% superior al de la gasolina. Problemas para el almacenamiento y transporte, que tienen como origen su elevada solubilidad en agua, así como sus poderes disolventes y decapantes, características todas ellas que exigen manejarlo en condiciones de máxima estanqueidad, así como un tratamiento específico de los espacios contenedores. Es más volátil que la gasolina, pudiendo emitir más COVs durante su fabricación y manejo [9]. Para biodiesel: En el caso del biodiesel, no presenta problemas importantes para su almacenamiento y transporte en instalaciones convencionales, salvo los derivados de su tendencia a la oxidación, superior a la del gasóleo convencional, lo que supone que convenga consumirlo lo antes posible desde su producción, o recurrir a aditivos conservantes que suponen un coste adicional. La mayor densidad del biodiesel con respecto al gasóleo puede presentar problemas en los actuales sistemas de inyección de los motores. Además, a bajas temperaturas, puede presentar problemas de congelación. Resumiendo algunos de los puntos negativos son: - Cambio de uso de tierra para producir biocombustibles. - Baja voluntad política para generalizar el uso de los biocombustibles. - Se produce degradación del suelo. - Trasformación de ecosistemas naturales a ecosistemas productivos. - Falta de conciencia social en el desarrollo de biocombustibles. - El etanol no se usa localmente (se exporta en muchas ocasiones). - Desconocimiento de la población del uso y beneficios del etanol. - Falta definición clara del impacto de la producción de biocombustibles en la producción de alimentos para la población. - No hay una definición de la eficiencia del proceso. - No se tiene en cuenta la oferta y la demanda. - Necesidad de iniciativa de la industria en buscar la optimización energética. - Se disminuye beneficio de los que importan combustibles. Francisco Cabello Pérez 15

16 Biocarburantes 2.3. Bioetanol y biodiésel: Particularidades Biodiésel El biodiésel es un biocarburante líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soja las materias primas más utilizadas para este fin. Las propiedades del biodiésel son prácticamente las mismas que las del gasóleo de automoción en cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiésel puede mezclarse con el gasoleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente. La definición de biodiésel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard) lo describe como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión. Sin embargo, los ésteres más utilizados son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificación de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificación de los ácidos grasos) debido a su bajo coste y sus ventajas químicas y físicas. A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima. Esto es la causa de que sea preciso tener en cuenta las características de los mercados agrícolas, junto a la complejidad que ya de por sí presentan los mercados energéticos. En este sentido, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente. Al asegurar la existencia de una demanda de biocarburantes, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse para potenciar otras políticas como la agrícola, favoreciendo la creación de empleo en el sector primario, la fijación de población en el ámbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrícolas, y reduciendo a la vez los efectos de la desertización gracias a la plantación de cultivos energéticos. En cuanto a la utilización del biodiésel como combustible de automoción, ha de señalarse que las características 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, mientras que la del aceite crudo es diez mayor aproximadamente (tabla 2.2 y 2.3); además el índice de cetano de los ésteres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento Materias primas para la producción de biodiésel Las materias primas más comunes utilizadas en España para la fabricación de biodiésel son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol (el contenido medio del girasol en aceite es de 44% por lo que en España será la mejor opción en cuanto a agricultura energética). También se están realizando pruebas con aceite de colza y con Brassica carinata. Francisco Cabello Pérez 16

17 Biocarburantes Tanto en España como a nivel internacional, se puede decir que la producción de biodiésel tiende a provenir mayoritariamente de los aceites extraídos de plantas oleaginosas, especialmente girasol (en España e Italia) y colza (en países de Centroeuropa). Las oleaginosas se importan a Europa para obtener la proteína y luego los aceites son reexportados fuera de la UE. La utilización de los mismos en la fabricación de biodiésel daría salida interior a dicho producto, evitando la reexportación. Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la producción de biodiésel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo de vaca,...). A continuación se detallan las principales materias primas para la elaboración de biodiesel: Aceites vegetales convencionales: - Aceite de girasol - Aceite de colza - Aceite de soja - Aceite de coco - Aceite de palma Aceites vegetales alternativos: - Aceite de Brassica carinata - Aceite de Cynara curdunculus - Aceite de Camelina sativa - Aceite de Crambe abyssinica - Aceite de Pogianus - Aceite de Jatropha curcas Aceites de semillas modificadas genéticamente: - Aceite de girasol de alto oleico (mayor contenido en ácido oleico). Grasas animales: - Sebo de vaca - Sebo de búfalo Aceites de fritura usados Aceites de otras fuentes - Aceites de producciones microbianas - Aceites de microalgas Francisco Cabello Pérez 17

18 Biocarburantes Características Físico-Químicas Seguidamente se expone una tabla (tabla 2.1) con múltiples propiedades del biodiesel: Tabla 2.1: Propiedades del biodiesel. [39] También se muestran a continuación dos tablas (Tabla 2.2 y Tabla 2.3) con la comparación entre distintos tipos de biodiesel y el gasóleo convencional: Francisco Cabello Pérez 18

19 Biocarburantes Tabla 2.2: Diferencias entre las propiedades del gasóleo, aceites vegetales y biodiesel. [39] CARACTERÍSTICAS DEL ACEITE DE COLZA Y GIRASOL Y DE SUS ÉSTERES METÍLICOS EN COMPARACIÓN CON EL GASÓLEO DE AUTOMOCIÓN ACEITE de ÉSTER ETÍLICO DE CARACTERÍSTICA COLZA GIRASOL COLZA GIRASOL GASÓLEO Densidad (g/cm3) PCS específico (MJ/L) PCI específico (MJ/L) Viscosidad mm2/s (20 C) Viscosidad mm2/s (50 C) Nº de Cetano 44/ /51 >45 Residuo carbono % Azufre % Tabla 2.3: Características del aceite de colza y girasol y de sus ésteres metílicos en comparación con el gasóleo de automoción. [36] Bioetanol El alcohol etílico o etanol es un producto químico obtenido a partir de la fermentación de los azucares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales, remolacha, caña de azúcar o biomasa. Estos azúcares están combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Las plantas crecen gracias al proceso de fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes de la tierra forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa, que se concentra en la parte fibrosa la planta. Francisco Cabello Pérez 19

20 Biocarburantes Actualmente, el bioetanol es el biocombustible con mayor producción mundial, del que se elaboraron más de millones de litros durante el año 2004 en todo el mundo. Para su fabricación se pueden utilizar una gran cantidad de materias primas. Brasil produjo millones de litros, principalmente de caña de azúcar, EE.UU millones de litros, procedentes del almidón del maíz, por resaltar los dos mayores productores, pero también se utiliza remolacha, cereal o residuos forestales. Se está estudiando la posibilidad de cultivar árboles, con alto contenido de celulosa, con el único fin de producir etanol, como pueden ser el chopo o el sauce. Igualmente el cultivo específico de algunas plantas con el fin de producir combustible podría ser una alternativa a las tierras sin cultivo, en el marco de la Política Agraria Común (PAC). Otra alternativa a las cosechas dedicadas a fines energéticos, es el uso de residuos de procesos agrícolas, forestales o industriales, con alto contenido en biomasa. Estos residuos pueden ir desde la paja de cereal a las limpias forestales, pasando por los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) o las cáscaras de cereal o de arroz. Los residuos tienen la ventaja de su bajo coste, ya que son la parte no necesaria de otros productos o procesos, salvo cuando son utilizados en la alimentación del ganado. Los RSU tienen un alto contenido en materia orgánica, como papel o madera, que los hace una potencial fuente de materia prima, aunque debido a su diversa procedencia pueden contener otros materiales cuyo preproceso de separación incremente mucho el precio de la obtención del bioalcohol. La utilización del etanol como combustible ha pasado por varias etapas a través de los años. En los origines de la industria automovilística fue el principal combustible: los motores de ciclo Otto se diseñaron en principio para utilizarlo, pero posteriormente con el desarrollo de la industria basada en el petróleo los fabricantes de motores se decantaron por esta segunda opción. Cuando se temió por la estabilidad de estos mercados en los años 20 y el posterior embargo petrolífero del año 1973 se volvió a invertir en el desarrollo de bioetanol. El primer país que asumió este reto fue Brasil que a partir de ese año comenzó a mezclar etanol y gasolina en la proporción de 22:78. En 1979 Brasil produjo los primeros automóviles que podían funcionar con alcohol hidratado (95% de etanol y 5% de agua), más tarde, en 1980 la mayor parte de los coches fabricados estaban diseñados para funcionar exclusivamente con etanol. Hasta los años 80 la principal motivación para la producción de etanol fue su uso como combustible alternativo para la automoción, y así disminuir la dependencia de las importaciones de crudo y minimizar el impacto que las fluctuaciones del mercado ocasionan en los precios. A partir de mediados de los 80, a esta motivación se ha unido las políticas de mejoras medioambientales, principalmente en lo relativo a emisiones gaseosas. El creciente interés que han generado en los últimos años los problemas derivados del cambio climático, producido por las emisiones de gases de efecto invernadero, ha hecho que se busquen combustibles más respetuosos con el medio ambiente. Al igual que en el caso del biodiésel, la combustión del bioetanol produce el mismo CO2 que absorbió la planta durante su crecimiento, si se exceptúa el emitido debido a la actividad energética necesaria en el proceso de su producción, por lo que algunos autores dicen que el balance es cero, en cuanto a las emisiones de CO2. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales. Un obstáculo importante es la legislación europea sobre la volatilidad de las gasolinas que fija la Francisco Cabello Pérez 20

21 Biocarburantes proporción de etanol en mezclas E5. Concentraciones más elevadas, autorizadas en Suecia y Estados Unidos, permitirían disponer de un vehículo flexible, con un depósito, motor y sistema de combustible único capaz de funcionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquier proporción. La otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina como etil-tercbutil éter (ETBE) Características Físico-Químicas A continuación se expone una tabla (Tabla 2.4) con las características más destacadas del bioetanol y el ETBE, y una comparación con la gasolina convencional: CARACTERÍSTICAS COMPARADAS DEL BIOETANOL Y LA GASOLINA CARACTERÍSTICA UNIDAD GASOLINA ETANOL ETANOL ETBE ANHIDRO HIDRATADO Densidad Kg/L Volatilidad Kg/cm Relación estequiométrica Aire/Comb máxima Calor latente de KJ/Kg vaporización Índice de octano IOM Índice de octano IOR Auto ignición C PCI KJ/Kg Tabla 2.4: Características comparadas del bioetanol y la gasolina. [38] 2.4. Diesel FT y DME Diesel FT El proceso Fischer-Trospch fue desarrollado por los químicos alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch entre 1920 y 1925, en el instituto de Investigación del carbón en Mulheim an der Ruhr (Alemania). El proceso implica la gasificación previa del carbón por oxidación parcial utilizando oxigeno como oxidante y vapor de agua como moderador a altas temperaturas, aproximadamente 1100 K, se obtiene así una mezcla de H2 y CO, gas de síntesis, de fácil separación de las partículas sólidas y gases ácidos. La relación molar del gas de síntesis está determinada por las proporciones de oxidante y moderador utilizadas. La posibilidad de utilizar mezclas de carbón y biomasa residual o residuos orgánicos, como fuente de carbono, permite desarrollar procesos de carácter cada vez más neutros con respecto al CO2 atmosférico, al mismo tiempo que no compite con la alimentación. En una segunda etapa el gas de síntesis se transforma mediante un proceso catalítico, Co o Fe sobre sílice, K, bar, casi exclusivamente en parafinas y olefinas lineales, Francisco Cabello Pérez 21

22 Biocarburantes mediante un mecanismo en cadena, en el que la probabilidad de crecimiento de la cadena es prácticamente independiente de su tamaño, obteniéndose una distribución de tamaños próxima a la distribución de Anderson-Schulz-Flory. Las probabilidades de crecimiento de la cadena encontradas de determinan un peso molecular medio de C10-C20 que constituye un combustible diesel muy puro y de excelente calidad (número de cetano) dado su carácter lineal. Mediante hidrocraqueo o reformado catalítico de los productos de la síntesis FT pueden obtenerse combustibles diesel o keroseno adecuados para el transporte comercial terrestre, marítimo y aéreo, dada su elevada densidad energética. A continuación se detallan algunas de las propiedades y aplicaciones del Diesel FT como carburante: - En la actualidad la tecnología desarrollada por las compañías Sasol y Shell utilizada en varias plantas en Sudáfrica, de carbón de baja calidad (Coal to liquids) y de gas natural (Gas to liquids) en Malasia y Qatar. - Composición parafínica (-CH2-) con máximo contenido en H2. - Tiene un alto índice de cetano y se puede mezclar en cualquier proporción con diesel convencional. Es un combustible con fácil salida al mercado. - Puede ser usado en los motores actuales sin requerir modificación alguna. - Menor contenido en aromáticos y menor temperatura de autoignición que diesel fósil, produce menos partículas y NOx. - Muy apropiado para reformadores on board en vehículos con PC debido a que no contiene azufre (veneno catalizador PC). Con esto además, respeta de forma natural las duras reglamentaciones en vigor en Europa DME En cuanto al dimetiléter (H3C-O-CH3, metoximetano, oxibismetano, metil éter o simplemente como DME) se le está prestando cada vez más atención como combustible limpio, debido a la existencia en todo el mundo de serios problemas con la contaminación del aire y por las limitadas reservas de petróleo. Se obtiene fundamentalmente de carbón o de gas natural. Es el más simple de todos los éteres, incoloro, no corrosivo, compuesto orgánico volátil, no cancerígeno, no teratogénico, no mutagénico y no tóxico. Es usado en la industria para la producción de valiosos compuestos orgánicos (dimetil sulfato, acetato de metilo y olefinas ligeras) sustituyendo a los denominados compuestos CFCs (clorofluorocarbonos), gases perjudiciales para la capa de ozono de la atmósfera. El DME puede ser empleado como combustible en automoción como sustituto del diesel. Presenta un elevado número de cetanos (55-65), superior al de los combustibles diesel convencionales (40-55) y también al del metanol, y una elevada volatilidad, cero contenido en sulfuros, bajas emisiones en NOx, hidrocarburos y CO, mínima generación de humos y reduce el ruido del motor. El DME también puede ser utilizado como combustible de elevada calidad en hogares familiares en lugar del gas licuado de petróleo (LPG), ya que tiene propiedades físicas similares. También puede ser utilizado como combustible en turbinas de Francisco Cabello Pérez 22

23 Biocarburantes gas para generación de energía, como fuente de H2 para pilas de combustible o como materia prima para la fabricación de otros productos químicos derivados. En los últimos años ha crecido la demanda de DME, especialmente en China, con una capacidad de producción anual en 2007 superior a 1.5 millones de toneladas/año. La capacidad de producción anual en 2010 se estimó en 15 millones de toneladas. Mayoritariamente, la producción de DME se realiza a partir de syngas en dos etapas: - Síntesis de metanol por medio del gas de síntesis (CO/H2 obtenido por reformado de CH4 con vapor de agua, gasificación de carbón) sobre catalizadores Cu-ZnO-Al2O3. - Deshidratación del metanol empleando catalizadores ácidos porosos tales como zeolitas, sílices-alúminas, alúmina (y-al2o3). Los dos procesos tienen lugar a temperaturas similares en el rango de ( ºC). La conversión de metanol es del % dependiendo de la temperatura y del contenido de agua en el reactor. Sin embargo también se puede obtener DME directamente del gas de síntesis en un único reactor mediante un proceso de una sola etapa, proceso conocido como (STD), empleando catalizadores bifuncionales basados en compuestos de cobre, es decir, catalizadores híbridos con dos tipos de centros activos, uno para la formación del metanol y el otro para la deshidratación del metanol formado. Se muestra el esquema del proceso convencional de producción industrial de DME a partir de syngas (Fig. 2.3) y se presentan las reacciones que tienen lugar en dicho proceso (Fig. 2.4): Fig. 2.3: Proceso tradicional de obtención de DME. [64] La hidrogenación de CO2, la reacción water gas shift y la hidrogenación de CO son las principales reacciones cinéticas para la deshidratación de metanol a DME: Fig. 2.4: Reacciones cinéticas de obtención de DME. [64] Francisco Cabello Pérez 23

24 Biocarburantes Propiedades como carburante El dimetil-éter tiene un ratio de expansión térmica elevado, que implica reservar un porcentaje del volumen de almacenaje para compensar las expansiones debidas a las fluctuaciones de temperaturas. También tiene una compresibilidad mayor, incluso en estado líquido, que otros combustibles como el gasóleo. Las diferencias entre el gasóleo y el DME son, que la densidad del DME en estado líquido es un 80% a la del gasóleo y la energía específica cerca del 70%. Por tanto, significa que se debe inyectar casi el doble del volumen para obtener la misma potencia de salida. El DME es más inflamable que el gasóleo debido a las menores temperaturas del punto flash y autoignición, por lo que requerirá mayores precauciones de seguridad. Además el DME tiene una conductividad eléctrica baja. Como medida de seguridad, los componentes pertenecientes al suministro de combustible deberían estar comunicados eléctricamente y conectados a tierra para prevenir que se carguen electro-estáticamente. Esta electricidad puede derivar en descargas eléctricas en forma de chispas que provocan una situación de fuego. Uno de los mayores inconvenientes del DME es su baja viscosidad y lubricidad, que provocan un mayor desgaste en las piezas que conforman el sistema de inyección, hasta la aparición de fugas de combustible. Además es crítico por las fugas que se producen por los inyectores del motor; este hecho se debe a su estado gaseoso y también por el desgaste producido por el paso del mismo combustible creando más holguras. La relación aire-combustible estequiométrica es menor que en el gasóleo debido al oxígeno que contiene. Los límites de inflamabilidad son del 3.4% hasta el 17%, un rango amplio de valores, que permite trabajar el motor con mezclas pobres para reducir el consumo de combustible. Otras de las propiedades y aplicaciones del DME como carburante: - Éter más simple (H3C-O-CH3) no tiene enlaces C-C y no produce partículas en motor diesel. - Gas a presión atmosférica y temperatura ambiente. Líquido a 5 bar ó -22ºC. - No corroe los metales pero puede degradar ciertos plásticos. - Con pequeños adaptaciones del motor puede usarse mezclado con diesel (10 ó 20%), con LPG (cualquier proporción) o puro. - Se puede reformar tan fácilmente como el metanol y por ello tiene un gran potencial como portador de H2 en vehículos con PC. - Al ser más denso que el aire problema en garajes (igual que LPG). Francisco Cabello Pérez 24

25 Tecnologías de producción 3. Tecnologías de producción 3.1. Actuales (1G) Producción de biodiésel Reacciones en la producción de biodiésel Reacciones de trasesterificación de triglicéridos Aunque la esterificación es un proceso posible, sin embargo el método utilizado comercialmente para la obtención de biodiésel es la transesterificación (también llamada alcohólisis). Se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos (el número de átomos de las cadenas está comprendido entre 15 y 23, siendo el más habitual de 18) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir ésteres y glicerina (que puede ser utilizada en cosmética, alimentación, farmacia, etc.). La reacción de transesterificación (Fig. 3.1) se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1, reaccionando en la metanólisis 1 mol de triglicérido con 3 moles de alcohol (aunque se añade una cantidad adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación del éster metílico). El triglicérido es el principal componente del aceite vegetal o la grasa animal. Además, la formación de la base 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%. Fig. 3.1: Reacción de transesterificación. [39] Francisco Cabello Pérez 25

26 Tecnologías de producción En la siguiente gráfica (Fig. 3.2) se presentan las diferentes reacciones que tienen lugar en la transesterificación, la cual consiste químicamente en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado: Fig. 3.2: Reacciones implicadas en la transesterificación. [39] En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final, ya que sin él no sería posible esta reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos (H2SO4, HCl, H3PO4, R-SO3), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), básicos homogéneos (KOH, NaOH) o enzimáticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas); de todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogéneos básicos ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas. En el caso de la reacción de transesterificación, cuando se utiliza un catalizador ácido se requieren condiciones de temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos, por ello es frecuente la utilización de derivados de ácidos más activos. Sin embargo, la utilización de álcalis, que como se ha comentado es la opción más utilizada a escala industrial, implica que los glicéridos y el alcohol deben ser anhidros (<0,06 % v/v) para evitar que se produzca la saponificación. Además, los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones. De esta manera las reacciones secundarias que se pueden dar son las siguientes: - Reacción de saponificación Francisco Cabello Pérez 26

27 Tecnologías de producción - Reacción de neutralización de Ácidos grasos libres El triglicérido reacciona con el catalizador básico, consumiendo éste, en presencia de agua dando lugar a la formación de jabones (reacción de saponificación), tal y como se puede ver en la gráfica a continuación (Fig. 3.3): Fig. 3.3: Reacción de saponificación. [39] La saponificación está favorecida cuando se utiliza el hidróxido potásico o sódico, ya que sus moléculas contienen los grupos OH responsables de esta reacción. Así, cuando se utilizan estos catalizadores, se debe tener especial precaución con las condiciones de reacción, especialmente la temperatura y la cantidad de catalizador básico, para reducir al máximo la saponificación. Sin embargo, los metóxidos sólo contienen el grupo OH como impureza, por lo que su utilización no produce prácticamente jabones por saponificación. En cualquier caso, se deben utilizar aceites y alcoholes esencialmente anhídros, ya que el agua favorece la formación de jabones por saponificación. Por este motivo, se debe eliminar el agua, mediante evaporación, en los aceites con altos contenidos en humedad antes de llevar a cabo la transesterificación. Por otra parte, hay dos maneras de eliminar los ácidos grasos libres presentes en el aceite. Así, se puede proceder a su neutralización, ya que los ácidos grasos presentes en el aceite vegetal pueden reaccionar con el catalizador básico (fundamentalmente NaOH) en presencia de agua, ocurriendo asimismo una reacción indeseable, produciendo como en el caso anterior jabón, tal y como se puede ver en la gráfica siguiente: Fig. 3.4: Reacción de neutralización de ácidos grasos libres. [39] Otra manera de eliminar los ácidos grasos libres es mediante una reacción de esterificación con un catalizador ácido con lo que se formaría el éster metílico. Reacciones de esterificación de ácidos grasos El proceso que se utiliza para la producción de biodiésel es la transesterificación, sin embargo la esterificación se viene aplicando combinándolo con la transesterificación de cara a aprovechar el subproducto de ácidos grasos y producir asimismo biodiésel. Francisco Cabello Pérez 27

28 Tecnologías de producción Dada la importancia de los ésteres se han desarrollado numerosos procesos para obtenerlos. El más común es el calentamiento de una mezcla del alcohol y del ácido correspondiente con ácido sulfúrico, utilizando el reactivo más económico en exceso para aumentar el rendimiento y desplazar el equilibrio hacia la derecha (esterificación de Fischer). El ácido sulfúrico sirve en este caso tanto de catalizador como de sustancia higroscópica que absorbe el agua formada en la reacción. A veces es sustituido por ácido fosfórico concentrado. En la práctica este procedimiento tiene varios inconvenientes. El alcohol puede sufrir reacciones de eliminación formando olefinas, esterificación con el propio ácido sulfúrico o de formación del éter, y el ácido orgánico puede sufrir decarboxilación. La reacción de esterificación aparece desarrollada en la gráfica adjunta (Fig. 3.5): Fig. 3.5: Reacción de esterificación. [39] Los catalizadores que se utilizan en este tipo de reacción, al contrario que en el proceso de transesterificación que habitualmente son hidróxidos, son ácidos o enzimáticos. En el caso de la esterificación, al contrario que en la reacción de transesterificación, al utilizar catalizadores ácidos no es necesario recurrir a trabajar con temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos. Catalizadores Es necesario contar con catalizadores para que ocurra la reacción y sea posible desde un punto de vista cinético. Estos catalizadores, en el caso de la transterificación, pueden ser ácidos homogéneos, ácidos heterogéneos, básicos homogéneos o enzimáticos, siendo los catalizadores básicos los que se utilizan a nivel industrial en la transesterificación ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas (Fig. 3.6). El único problema de estos catalizadores es que deben ser anhidros para evitar que se produzcan reacciones secundarias, como la de saponificación, que reducirían el rendimiento del proceso. Por otra parte, los triglicéridos deben tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralice con el catalizador y se formen también jabones. Se ha observado que la reacción es más rápida cuando se cataliza con un alquilo [Freedman, 1986]. En el primer paso de la reacción, un ion óxido alquilo ataca al grupo carbonilo de la molécula del triglicérido. La reacción de este producto intermedio con un alcohol produce un ion del grupo alcóxido en el segundo paso. En la última etapa la redisposición del compuesto tetraedro intermedio da lugar a un éster y a diglicerina. Asimismo, se pueden utilizar catalizadores ácidos de Bronsted, preferiblemente sulfúricos y sulfónicos. Estos catalizadores producen rendimientos muy altos en ésteres alquilicos pero las reacciones son lentas, necesitando temperaturas superiores a los 100 ºC y más de 3 horas para completar la conversión. La acidificación del grupo carbonil del éster conduce a la carbonatación, y posteriormente, el ataque nucleófilo del alcohol produce el compuesto Francisco Cabello Pérez 28

29 Tecnologías de producción tetraédrico intermedio. Esto elimina el glicerol para formar un nuevo éster y regenerar el catalizador. Se ha probado la metanólisis del aceite de soja en presencia del 1% de H2SO4 con una relación molar alcohol/aceite de 30:1 [Freedman, 1986]. A una temperatura de reacción de 65 ºC se completó la conversión en 20 horas, mientras la butanólisis a 177 ºC y la etanólisis a 78 ºC usando las mismas cantidades de alcohol, necesitaron 3 y 18 horas, respectivamente. Fig. 3.6: Ventajas e inconvenientes de los catalizadores utilizados en la transesterificación. [39] Procesos en la producción industrial de biodiésel Tal y como se ha comentado en el apartado de reacciones dedicado a la producción de biodiésel, químicamente, la transesterificación proceso industrial utilizado en su producción- consiste en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado. Todo este proceso se lleva a cabo en un reactor donde se producen las reacciones y en posteriores fases de separación, purificación y estabilización. En este punto se describirán los diferentes procesos para la producción de biodiesel entre los que se incluyen el proceso general de transesterificación y el proceso general de esterificación, aunque habitualmente en este último el proceso se utiliza en combinación con el de transesterificación a partir de los ácidos grasos, subproductos de este proceso, para la producción de biodiésel. Proceso general de transesterificación Aunque todas ellas tienen en común los aspectos mencionados en el punto anterior de producción de biodiésel mediante el proceso de transesterificación, sin embargo existen múltiples opciones de operación viables para la fabricación de biodiésel. Muchas de estas tecnologías pueden ser combinadas de diferentes maneras variando las condiciones del Francisco Cabello Pérez 29

30 Tecnologías de producción proceso y la alimentación del mismo. La elección de la tecnología será función de la capacidad deseada de producción, alimentación, calidad y recuperación del alcohol y del catalizador. En general, plantas de menor capacidad y diferente calidad en la alimentación suelen utilizar procesos Batch o discontinuos. Los procesos continuos, sin embargo, son más idóneos para plantas de mayor capacidad que justifique el mayor número de personal y requieren una alimentación más uniforme. Proceso discontinuo: Es el método más simple para la producción de biodiésel donde se han reportado ratios 4:1 (alcohol:triglicérido). Se trata de reactores con agitación, donde el reactor puede estar sellado o equipado con un condensador de reflujo. Las condiciones de operación más habituales son a temperaturas de 65ºC, aunque rangos de temperaturas desde 25ºC a 85ºC también han sido publicadas. El catalizador más común es el NaOH, aunque también se utiliza el KOH, en rangos del 0,3% al 1,5% (dependiendo que el catalizador utilizado sea KOH o NaOH). Es necesaria una agitación rápida para una correcta mezcla en el reactor del aceite, el catalizador y el alcohol. Hacia el fin de la reacción, la agitación debe ser menor para permitir al glicerol separarse de la fase ester. Se han publicado en la bibliografía resultados entre el 85% y el 94%. En la transesterificación, tal y como se comentó anteriormente, cuando se utilizan catalizadores ácidos se requiere temperaturas elevadas y tiempos largos de reacción. Algunas plantas en operación utilizan reacciones en dos etapas, con la eliminación del glicerol entre ellas, para aumentar el rendimiento final hasta porcentajes superiores al 95%. Temperaturas mayores y ratios superiores de alcohol:aceite pueden asimismo aumentar el rendimiento de la reacción. El tiempo de reacción suele ser entre 20 minutos y una hora. (Fig. 3.7). Fig. 3.7: Proceso de Transesterificación. [39] Proceso continuo: Una variación del proceso discontinuo es la utilización de reactores continuos del tipo tanque agitado, los llamados CSTR del inglés, Continuous Stirred Tank Reactor. Este tipo de reactores puede ser variado en volumen 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. Un elemento esencial en el diseño de los Francisco Cabello Pérez 30

31 Tecnologías de producción reactores CSTR es asegurarse que la mezcla se realiza convenientemente para que la composición en el reactor sea prácticamente la misma. Esto tiene el efecto de aumentar la dispersión del glicerol en la fase éster. El resultado es que el tiempo requerido para la separación de fases se incrementa. Existen diversos procesos que utilizan la mezcla intensa para favorecer la reacción de esterificación. El reactor que se utiliza en este caso es de tipo tubular. La mezcla de reacción se mueve longitudinalmente por este tipo de reactores, con poca mezcla en la dirección axial. Este tipo de reactor de flujo pistón, Plug Flow Reactor (PFR), se comporta como si fueran pequeños reactores CSTR en serie. El resultado es un sistema en continuo que requiere tiempos de residencia menores (del orden de 6 a 10 minutos) con el consiguiente ahorro, al ser los reactores menores para la realización de la reacción. Este tipo de reactor puede operar a elevada temperatura y presión para aumentar el porcentaje de conversión (Fig. 3.8). Fig. 3.8: Proceso de producción de biodiésel mediante reactores de flujo pistón. [39] Proceso de esterificación El más común consiste en el calentamiento de una mezcla del alcohol y del ácido correspondiente -como se ha comentado anteriormente, en los procesos de esterificación se suelen utilizar catalizadores ácidos con ácido sulfúrico, utilizando el reactivo más económico en exceso para aumentar el rendimiento y desplazar el equilibrio hacia la derecha (esterificación de Fischer). El ácido sulfúrico sirve en este caso tanto de catalizador como de sustancia higroscópica que absorbe el agua formada en la reacción. A veces es sustituido por ácido fosfórico concentrado. En la práctica este procedimiento tiene varios inconvenientes. El alcohol puede sufrir reacciones de eliminación formando olefinas, esterificación con el propio ácido sulfúrico o de formación del éter y el ácido orgánico puede sufrir decarboxilación. Francisco Cabello Pérez 31

32 Tecnologías de producción Fig. 3.9: Proceso de esterificación. [39] Producción de bioetanol El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. En la siguiente gráfica (Fig. 3.10) se puede ver, de forma esquemática, el proceso completo de obtención del alcohol, a partir de las principales materias primas que se utilizan para su producción. Fig. 3.10: Procesos de producción de bioetanol. [39] Principalmente se utilizan tres familias de productos para la obtención del alcohol: - Azucares, procedentes de la caña o la remolacha, por ejemplo. - Cereales, mediante la fermentación de los azúcares del almidón. - Biomasa, por la fermentación de los azúcares contenidos en la celulosa y hemicelulosa. Los materiales lignocelulósicos son los que ofrecen un mayor potencial para la producción de bioetanol. Una gran parte de los materiales con alto contenido en celulosa, susceptibles de ser utilizados para estos fines, se generan como residuos en los procesos productivos de los sectores agrícola, forestal e industrial. Los residuos agrícolas proceden de Francisco Cabello Pérez 32

33 Tecnologías de producción cultivos leñosos y herbáceos y, entre otros, hay que destacar los producidos en los cultivos de cereal. Por su parte, los residuos de origen forestal proceden de los tratamientos silvícola y de mejora o mantenimiento de los montes y masas forestales. También pueden utilizarse residuos generados en algunas industrias, como la papelera, la hortofrutícola o la fracción orgánica de residuos sólidos industriales. Muchos de estos residuos no sólo tienen valor económico en el contexto donde se generan sino que pueden ser causa de problemas ambientales durante su eliminación. Los residuos de biomasa contienen mezclas complejas de carbohidratos, llamados celulosa, hemicelulosa y lignina. Para obtener los azúcares de la biomasa, esta es tratada con ácidos o enzimas que facilitan su obtención. La celulosa y hemicelulosa son hidrolizadas por enzimas o por ácidos (concentrados o diluidos) para obtener sacarosa, que es entonces fermentada. Tres son los principales métodos para extraer estos azúcares: la hidrólisis con ácidos concentrados, la hidrólisis con ácidos diluidos y la hidrólisis enzimática. En la gráfica que sigue (Fig. 3.11) se pueden ver las diferentes formas de procesar las materias primas, en función de su origen, para la obtención de sus azúcares: Fig. 3.11: Diferenciación de procesos para la producción de bioetanol. [39] A continuación se describen los pasos implicados en los procesos más relevantes de cada una de estas alternativas para la elaboración del alcohol. Acondicionamiento de las materias primas Los cereales son la principal fuente para la producción de bioetanol, destacando el uso del maíz en EE.UU. y la cebada y el trigo en las plantas instaladas en España. En el caso de los cereales, para los procesos de preparación de la materia prima y la obtención de los azucares que contienen, se utilizan principalmente dos tecnologías: Proceso de molido húmedo (Wet Milling Processes): Esta tecnología se aplica normalmente en plantas con grandes producciones de alcohol y es utilizada por aproximadamente dos tercios de los productores en EE.UU. Este sistema es elegido cuando se quieren obtener otros subproductos, tales como el sirope, fructosa, dextrosa, etc. además de la producción del alcohol. Es un proceso complejo, dado el elevado número de pasos a seguir Francisco Cabello Pérez 33

34 Tecnologías de producción en el pretratamiento del maíz y su separación en sus diferentes componentes. En este proceso, el maíz es escaldado en agua caliente, lo que ayuda a romper las proteínas, liberar el almidón presente en el maíz y ablandar el grano para el proceso de molido. El maíz es molido para obtener el germen, la fibra y la fécula. Con el germen se obtiene aceite y la fécula se centrífuga y sacarifica para producir una pasta de gluten húmeda. A continuación se puede ver la secuencia sintetizada del proceso (Fig. 3.12): Fig. 3.12: Proceso de molido húmedo. [39] El proceso comienza con el secado de los granos, posteriormente se inspeccionan automáticamente y se limpian de piedras, trozos de caña o paja y cualquier otra impureza. El maíz se remoja en grandes tanques en una solución que contiene pequeñas cantidades de dióxido de azufre y ácido láctico. Estos dos productos químicos, en agua a una temperatura de unos 50 ºC, ayudan a ablandar los granos, en un proceso que puede durar entre uno y dos días. Durante este tiempo el maíz se hincha, luego se ablanda y debido a las condiciones ligeramente ácidas de la disolución se libera el almidón. La siguiente parte del proceso es pasarlo a través de un separador que, principalmente, hace que el germen de los granos flote en la parte superior de la mezcla y sea posible recogerlos fácilmente (debido al contenido de aceite de estos). A partir de ahí primeramente se obtiene la parte fibrosa y posteriormente se separa el almidón de las proteínas por un proceso de centrifugación. Proceso de molido en seco (Dry Milling Process): Este proceso consiste en limpiar y moler los granos de cereal hasta reducirlos a finas partículas por un sistema mecánico. Se produce una harina con el germen, la fibra y la fécula del maíz. Para producir una solución azucarada la harina es hidrolizada o convertida en sacarosa usando enzimas o una disolución ácida. La mezcla es enfriada y se le añade la levadura para que comience a fermentar. Debajo se muestra el proceso detallado: Francisco Cabello Pérez 34

35 Tecnologías de producción Fig. 3.13: Proceso de molido seco. [39] De la masa resultante, una vez obtenido el alcohol, se obtiene un subproducto (DDGS, en inglés Dried Destiller Grains of Solubles, granos secos, solubles, de destilería, que se distribuyen en forma de pellets) que se puede utilizar como alimentación para ganado. Esta tecnología es usada en plantas de pequeño y medio tamaño. Hidrólisis Las celulosas no pueden ser fermentadas directamente, es necesario convertirla en azúcares más sencillos para su conversión en alcohol. La hidrólisis es un proceso químico que divide la molécula de celulosa por la acción de la molécula de agua. Las complejas estructuras de la celulosa (celulosa, hemicelulosa y lignina) son divididas en diferentes procesos para conseguir una solución azucarada, y eliminar productos de descomposición de los azucares que pueden inhibir o, al menos, dificultar el proceso de fermentación. Principalmente se realizan procesos de hidrólisis de ácidos concentrados y bajas temperaturas, de ácidos diluidos y altas temperaturas y enzimáticos. A continuación se exponen los diferentes tipos: - Hidrólisis con ácidos concentrados: En este proceso se añade entre 70-77% de ácido sulfúrico a la biomasa, que ha sido secada previamente hasta obtener una humedad menor del 10%. La proporción de ácido es de 1:25 por cada parte de biomasa y se mantiene a una temperatura controlada de 50ºC. Entonces se añade agua, para diluir el ácido a un 20-30% de la mezcla, aumentando su temperatura hasta los 100ºC. El gel producido en este proceso es prensado para obtener la mezcla de ácido y azúcar, que finalmente son separados. Este es un proceso del que se obtiene rendimientos muy elevados pero a un coste igualmente muy elevado, por lo que industrialmente no se realiza. - Hidrólisis con ácidos diluidos: Es uno de los procesos de hidrólisis más antiguos, simples y eficientes para la producción del alcohol. El primer paso es mezclar una proporción de 0,7% de ácido sulfúrico con la hemicelulosa presente en la biomasa, para que se hidrolice a 190ºC. La segunda parte consiste en optimizar el rendimiento de la reacción con la parte de la celulosa más resistente, para ello se usa un 0,4% de ácido sulfúrico a 215ºC. Finalmente los líquidos hidrolizados son neutralizados y recuperados, normalmente mediante percolación. Francisco Cabello Pérez 35

36 Tecnologías de producción - Hidrólisis enzimática: Consiste en romper (hidrolizar) la celulosa por la adición de determinadas enzimas. La celulosa es degradada por las celulasas a azúcares, que pueden ser fermentados por levaduras o bacterias para producir etanol. En síntesis, el proceso consiste en descomponer la celulosa y la hemicelulosa del residuo en azúcares sencillos y transformarlos en etanol por fermentación. En primer lugar se lleva a cabo un pretratamiento del residuo cuyo objetivo es alcanzar los mejores resultados en las etapas siguientes (hidrólisis y fermentación). Desde el punto de vista económico, esta etapa es crítica, puesto que gran parte del coste total del proceso estaría en esta primera etapa. Como resultado del pretratamiento se obtiene una disolución de azúcares provenientes de la ruptura de la hemicelulosa y un residuo sólido (constituido principalmente por la celulosa del residuo original). La hidrólisis enzimática presenta ventajas frente a la hidrólisis química, como menores costes de equipamiento (debido a que se realiza a presión atmosférica y a temperatura próxima a la ambiental), mayores rendimientos y no necesita utilizar agentes químicos. Fermentación del azúcar La última etapa del proceso consiste en la fermentación por levaduras de la glucosa liberada a partir de la celulosa, así como la de los azúcares procedentes de la hemicelulosa que se han liberado durante los pretratamientos anteriores. La levadura contiene una enzima llamada invertasa, que actúa cómo catalizador ayudando a convertir los azúcares en glucosa y fructosa (ambos C6H12O6). La reacción química es la siguiente: La fructosa y la glucosa reaccionan con otra enzima llamada zimasa, que también está presente en la levadura para producir el etanol y dióxido de carbono. Un avance muy importante sobre este proceso fue la introducción simultánea del tratamiento de sacarificación y el de fermentación. Este proceso reduce el número de reactores necesarios durante la producción, ya que elimina el reactor separado de hidrólisis, y, más importante aún, evita el problema de la producción de agentes inhibidores asociados a las enzimas. A la vez que el azúcar es producido por las enzimas, la fermentación lo convierte en alcohol. Posteriormente este proceso se ha mejorado incluyendo la fermentación de múltiples sustratos de azúcar. A continuación se muestra el proceso de forma esquemática (Fig. 3.14): Francisco Cabello Pérez 36

37 Tecnologías de producción Fig. 3.14: Proceso simultáneo de sacarificación y fermentación de la empresa Gula Oil Company. [39] Deshidratación/Destilación El alcohol producido tras la fermentación contiene una parte significativa de agua, que debe ser eliminada para su uso como combustible. El bioetanol azeótropo se puede deshidratar mediante diversas técnicas, que se utilizarán en función de su uso en mezcla con los combustibles fósiles: - Destilación azeotrópica: consta de dos operaciones, la destilación química propiamente dicha, que permite extraer el bioetanol de otras sustancia volátiles y de una cantidad dada de agua -el etanol tiene un punto de ebullición menor (78,3ºC) que el agua (100ºC), la mezcla se calienta hasta que el alcohol se evapore y se pueda separar por condensación de éste- y la rectificación, que permite la eliminación de las sustancias volátiles y del agua. En esta fase se usan solventes, en general benceno, que separan las diferentes fases líquidas en el interior de un sedimentador. - Deshidratación por preevaporación: emplea membranas selectivas (la silicona o el polidimetilsiloxano) que permiten sustraer del bioetanol, el agua y las sustancias volátiles presentes en forma de vapor. - Deshidratación por osmosis inversa: el agua pasa desde una disolución más concentrada de bioetanol a una menos concentrada, por medio de una presión igual o superior a la osmótica Escalas de producción Biodiesel Las características que diferencian a las plantas de producción de biodiésel son las siguientes: - Escala: generalmente alrededor de t biodiesel/año, pudiendo llegar a t/año. Las más pequeñas son del orden de 4000 t/año. - Tipo de alimentación: única o múltiples tipos. Especial atención a la máxima cantidad de ácidos grasos permitido. - Pureza de los productos: generalmente se cumple la normativa sobre las especificaciones de biodiesel. La glicerina se produce o cruda (80% pureza) o de calidad farmacéutica (99,5%) - Tipo de catalizador: generalmente catalizadores básicos homogéneos, aunque existe tecnología de catalizadores sólidos (IFP). - Sistema de reacción: reactores agitados (uno o dos en serie), tubulares, lecho fijo (IFP), pre-esterificación. Francisco Cabello Pérez 37

38 Tecnologías de producción Según publica el European Biodiésel Board (Tabla 3.1), la producción de biodiésel, en el año 2004, fue de casi dos mil millones de toneladas, destacando Alemania como primer productor: PAÍS PRODUCCIÓN (TON) Alemania Francia Italia Dinamarca República Checa Austria Eslovaquia España Reino Unido Lituania TOTAL Tabla 3.1: Producción de Biodiesel en Europa en [24] Bioetanol En cuanto a las plantas de bioetanol, podemos tomar como referencia algunas de las instaladas en España (Tabla 3.2), alimentas principalmente por maíz, trigo y cebada, que presentan las siguientes características: Tabla 3.2.: Plantas instaladas en Espala por Abengoa Bioenergy. [1] Francisco Cabello Pérez 38

39 Tecnologías de producción 3.2. En desarrollo (2G) En este apartado se pretende dar una breve reseña o visión informativa de algunas de las experiencias con diferentes tecnologías emergentes o nuevas materias primas que se están utilizando para la producción de biocarburantes y que marcan algunas de las líneas de desarrollo del sector para su futuro Bio-hidrógeno El biohidrógeno se obtiene a partir de biomasa y/o de la fracción biodegradable de los residuos, utilizando dos procesos diferentes. El primero, de tipo termo-químico, usa la gasificación y se integra con una fase de rectificación (steam reforming) si el contenido final de hidrógeno no es adecuado. El segundo, en fase de estudio, es una fermentación en ausencia de luz similar a la digestión anaeróbica y que permite producir directamente hidrógeno en vez de metano. Los productos intermedios de las vías metabólicas, los ácidos orgánicos, se convierten en biohidrógeno gracias a la luz solar y al proceso de foto-fermentación. El hidrógeno se puede utilizar en los motores de combustión interna de ciclo Otto, en los de ciclo Diésel o en las pilas de combustibles. La utilización del biohidrógeno en el sector transporte implica la compresión y la licuefacción del gas o como alternativa su transformación en hidruro metálico Bio-metanol El biometanol se diferencia del metanol tradicional por la materia prima utilizada para su producción: mientras que el metanol tradicional es obtenido mediante el proceso de conversión catalítica a partir de un combustible fósil (generalmente gas natural), para el biometanol se usa biomasa lignocelulósica. La gasificación de la biomasa, con la conversión catalítica de los gases obtenidos (CO2 y H2), es el proceso más usado para la producción del biometanol. La reacción para la producción de biometanol se da con altas temperaturas (alrededor de los 400 C) y presión (40-80 atm). Dadas las propiedades del biocombustible, muy parecidas a las del bioetanol, el biometanol se puede utilizar en los motores de ciclo Otto y Diésel (Tabla 3.3). En las aplicaciones para el transporte, el biometanol presenta un comportamiento muy similar a la gasolina en cuanto a prestaciones y se caracteriza por un valor más alto de número de octano. La principal criticidad en la utilización del biometanol está relacionada con la seguridad en las fases de transporte y almacenamiento en cuanto que quema sin llama visible y es tóxico por inhalación, contacto e ingestión. Estas problemáticas se reflejan en los elevados costes de gestión que corren a cargo de la red de distribución. El uso de biometanol hasta el 20% en mezcla con la gasolina no requiere modificaciones en el motor o en las infraestructuras de distribución. Su utilización en altas concentraciones con la gasolina o en estado puro necesita de modificaciones en el motor, para garantizar los rendimientos en el arranque en frío y para evitar la corrosión de los materiales. En la cadena del biodiésel, el biometanol se puede utilizar como reactor en la transesterificación de los aceites vegetales. Francisco Cabello Pérez 39

40 Tecnologías de producción Tabla 3.3: Características del biometanol. [2] Bio-MTBE El bio-mtbe se produce a partir del biometanol y se puede utilizar como antidetonante en los motores de ciclo Otto, como sustituto del MTBE de origen fósil. Sus características fisicoquímicas son de hecho parecidas al MTBE. El bio-mtbe incrementa el número de octano de la gasolina sin disminuir su densidad energética o incrementar su volatilidad. Dado que en la reacción de síntesis participa el isobuteno de origen fósil, el bio-mtbe se considera biocarburante en la medida del porcentaje de biometanol presente en su composición, es decir, por un 36%. Con la progresiva eliminación del plomo de la gasolina, a partir de mediados de los años ochenta, el bio-mtbe ha llegado a ser unos de los componentes más utilizados para la formulación de las gasolinas: su coste y su toxicidad, inferiores a la del plomo tetraetilo y a las del benceno, han hecho crecer el uso del bio-mtbe como antidetonante en todas las gasolinas verdes y, en la actualidad, se usa en porcentajes que van desde el 7 hasta el 12 % en volumen. El punto crítico principal, que penaliza el uso del bio-mtbe, es su elevada solubilidad en agua. Esta, junto con la modesta absorción de la fracción orgánica y mineral por el suelo y de la escasa degradación del bio-mtbe, representa una grave amenaza para la calidad de las aguas subterráneas Bio-Butanol El biobutanol es un biocarburante líquido, producido por la fermentación de los azúcares por medio del microorganismo Clostridium acetobutylicum, a partir de las mismas materias primas del bioetanol. Por sus propiedades, el biobutanol puede utilizarse en los motores a combustión interna de ciclo Diésel y Otto, de forma análoga al bioetanol. El biobutanol presenta algunas características que favorecen su uso respecto al bioetanol. En primer lugar, es menos corrosivo y genera problemas en las infraestructuras existentes para la distribución de la gasolina. En segundo lugar, su mezcla con los carburantes Francisco Cabello Pérez 40

41 Tecnologías de producción fósiles es óptima y las mezclas no incurren en la separación de las fases. Como resultado, el almacenamiento y la distribución del biobutanol son simplificadas. Frente a una densidad energética superior a la del bioetanol, el biobutanol evidencia valores más bajos por número de octano Sistema Kurata: Biocarburantes a base de biomasa residual Por primera vez en el mundo se utiliza un revolucionario proceso que utiliza biomasa residual para la obtención de biocarburantes. La primera planta industrial en utilizar este sistema en el mundo se inauguró el 23 de marzo de 2011 en Córdoba, siendo también la primera planta comercial de biocarburantes de 2º generación que se construye en España. En la planta de Cañete de las Torres, Córdoba, se aprovechará el residuo de orujillo, desecho de la aceituna, que se produce en la zona, para convertirlo en biocarburantes. La planta de Cañete de las Torres tiene una capacidad de toneladas al año de producción de biocarburantes y utiliza como materia prima toneladas al año de orujillo de aceituna. La planta puede usar cualquier tipo de biomasa residual. El Sistema Kurata es un novedoso proceso para la producción de biocarburantes a partir de residuos con contenido en carbono e hidrógeno. A través del Sistema Kurata se obtiene gasolina, queroseno y gasoil a partir de materias primas como biomasa residual, aceites industriales usados, bunker C, plásticos y otras muchas materias con carbono e hidrógeno, de forma rentable y eficiente, a nivel económico y medioambiental. Estas materias primas se emulsionan con agua activada previamente, para después producir un fenómeno llamado hidrocracking en un reactor, donde acaba evaporándose la mezcla. Estos gases se introducen en un catalizador para descomponer las cadenas carbonohidrógeno para posteriormente recomponerlas en largas cadenas de hidrocarburos. Esta reacción se induce a través de un catalizador metálico que rompe las cadenas modificando el movimiento ondulatorio que poseen. Los coches no consumen normalmente combustibles en fase gaseosa, por lo que el siguiente paso es la condensación, produciéndose un hidrocarburo sintético en forma líquida. Posteriormente, para que los vehículos puedan utilizar el gasoil o gasolina utilizados, debe limpiarse el hidrocarburo por fuerza centrífuga. La propietaria de la patente del proceso Kurata en nuestro país es Cardiles Oil Company. (Fig. 3.15): Francisco Cabello Pérez 41

42 Tecnologías de producción Fig. 3.15: Plano esquemático del Sistema Kurata ( Algas La obtención de biocombustibles a partir de cultivos acuáticos de algas marinas podría suponer una alternativa más que viable. El hacerlo preferentemente con aguas salinas evitaría los problemas de sequía o abastecimiento de agua potable que supondría el uso de agua dulce. Una hectárea de algas puede producir unas 30 veces más aceite que la misma extensión de girasol o colza. Pero el principal problema de esta alternativa es el alto contenido en agua de las algas. Esto dificulta su tratamiento y la extracción de su contenido útil, el aceite. Tras secarlas, se aprovecha tan solo entre el 5 y el 15 por ciento del producto original. Mejorar este sistema lleva irremediablemente a encontrar las especies de algas que más rápido crecen y más combustible pueden proporcionar. Algunas especies de algas verdes unicelulares, como la Chlorella vulgaris o la Scenedesmus acutus, podrían ser la solución, aunque todavía se está estudiando como mejorar su rendimiento. Para su producción a escala industrial existen dos opciones: sistemas abiertos como estanques y canales, iluminados con luz natural; o fotobiorreactores, expuestos a luz natural o artificial. Iniciativas como el proyecto CENIT PIIBE (proyecto de Investigación para el Impulso del Biodiésel en España) de Repsol ( intentan desarrollar esta tecnología seleccionando las especies adecuadas de microalgas, Francisco Cabello Pérez 42

43 Tecnologías de producción mejorando su rendimiento e intentando reducir los costes de los fotobiorreactores, por ejemplo. Algas en el desierto Otro proyecto interesante es el de la empresa californiana Sapphire Energy ( que ha anunciado que puede producir un combustible equivalente a la gasolina a base de algas cultivadas en terrenos desérticos. El nuevo producto podría empezar a comercializarse en breve. Para fabricar el nuevo crudo verde sólo se necesita luz solar, dióxido de carbono y organismos fotosintéticos (las algas). De este modo se obtiene una gasolina renovable que contiene tanta energía en un litro como la gasolina con un octanaje de 91. Además, a diferencia de otros biocombustibles, no afectará a terrenos agrícolas, ya que las algas se cultivarán en zonas áridas y soleadas, en pleno desierto, con agua no potable. Fig. 3.16: Proceso de obtención del carburante a base de algas. [55] El objetivo es desbancar el sistema actual de petróleo para sustituirlo por un sistema de producción continuo, con un campo petrolífero por encima del suelo que produce crudo tanto tiempo como se quiera. Actualmente hay una planta de demostración encargada que funcionará a pleno rendimiento a lo largo de 2013, y que operará atendiendo a los siguientes datos (Tabla 3.4): Location Feedstock(s) Size Primary Products Capacity GHG Reduction Operations Columbus, NM CO 2 /Algae/Sunlight/Non-Potable Water 56 metric tons of CO 2 per day; 300 cultivated acres Jet fuel and diesel 1 million gallons per year of finished product 60-70% reduction compared to traditional fossil crude Phase 1 began with the inoculation of the first 100 acres of pond systems and a series of shake-down-testing Phase 2 of the project will begin to scale up and expand farming operations. Tabla 3.4: Datos de planta Columbus SE. [55] Francisco Cabello Pérez 43

44 Tecnologías de producción Algas marrones Científicos del Bio Architecture Lab (EE UU) han modificado genéticamente la bacteria E. coli para que digiera los azúcares de las algas marrones (Saccharina japonica) y las convierta en etanol. Las algas marrones pueden ser una de las fuentes de biomasa para la producción de combustibles renovables y químicos más sostenibles medioambientalmente: no requiere terrenos cultivables, ni fertilizantes, ni agua dulce, y además reduce mucho la emisión de CO2. Las algas tienen un contenido muy alto de azúcar y su cultivo no resta agua ni tierra a las cosechas destinadas a alimentación. Pese a todas las ventajas, hasta ahora no se ha conseguido que esta fuente sea rentable, el principal problema es la falta de microorganismos manejables que puedan metabolizar polisacáridos del alginato, la sustancia química obtenida del alga. Con este fin, el equipo del BAL ( ha modificado el ADN de la bacteria E. Coli de manera que codifique las enzimas necesarias para transportar y metabolizar el alginato. Lo han integrado en el genoma del microorganismo y así han generado una plataforma que puede degradar, captar y metabolizar el ácido, a partir del cual la bacteria sintetiza etanol Sorgo dulce Un proyecto investiga la producción de bioetanol a partir de sorgo dulce. Con el objetivo de diversificar el mercado actual de este biocombustibles en la Unión Europea, investigadores de tres países trabajan en el proyecto Sweethanol [30], cuyo fin es utilizar el sorgo dulce como cultivo azucarado innovador para una producción sostenible, promoviendo la creación de plantas descentralizadas de pequeña y mediana escala. El proyecto, que se encuentra en el ecuador de su desarrollo, tiene un presupuesto de 1,2 millones de euros procedentes del programa IEE-II 2009 (Intelligent Energy Europe) de la Comisión Europea. En él participan dos entidades españolas, la Asociación para la Difusión del Aprovechamiento de la Biomasa en España (Adabe) y la Fundación Cartif de Valladolid, así como instituciones y centros de investigación de otros dos países del Sur de Europa, donde puede cultivar el sorgo dulce, Italia y Grecia. El etanol de primera generación a partir de sorgo dulce posee una elevada sostenibilidad ambiental, económica y energética. Además, la simplicidad técnica del procesamiento y explotación de los subproductos garantiza la viabilidad económica de las plantas descentralizadas de pequeña y mediana escala, de un máximo de toneladas al año. Representa una alternativa interesante para pequeñas cooperativas. Además dentro del proyecto se ha evaluado la producción de bioetanol en otros países para poder realizar una comparativa. Francisco Cabello Pérez 44

45 Tecnologías de producción Fig. 3.17: Esquema de planta de procesado de sorgo dulce para bioetanol y materias primas energéticas. [30] Bioetanol procedente de chumberas y tabaco Un equipo de expertos de la Fundación Cajamar y la empresa almeriense Albaida Recursos Naturales y Medioambiente, están llevando a cabo estudios de viabilidad sobre la producción de bioetanol en suelos semiáridos utilizando la chumbera (Opuntia ficus indica) y el tabaco arbóreo (Nicotiana glauca) como materias primas. Se afirma que estas dos plantas se adaptan perfectamente a condiciones de extrema escasez de agua y producen una biomasa de alto contenido energético para el proceso de fermentación de su materia orgánica. Los suelos semiáridos son adecuados para plantar cultivos bioenergéticos porque normalmente no se utilizan para cultivos alimentarios. Se han puesto en marcha plantaciones experimentales de estos cultivos para la producción de bioetanol. El proyecto comprende el ciclo completo del biocombustible, desde la producción del cultivo bioenergético hasta la transformación de la materia prima biomásica (producción de etanol) y, en última instancia, la aplicación del etanol biocombustible en la industria del automóvil. En lugar de construir grandes destilerías, se opta por pequeñas plantas de destilación locales generalmente radicadas en zonas portuarias que reciben suministros desde zonas situadas a gran distancia. En las condiciones naturales del clima mediterráneo árido se podría llegar a obtener unos mil litros de etanol por hectárea. Francisco Cabello Pérez 45

46 Tecnologías de producción Fig. 3.18: Cultivo de nopal. [27] Energía del Nopal Un caso particular es el de la empresa chilena Elqui Global Energy dedicada a la producción de bioenergía (biogás y bioetanol) procedente de la chumbera ( Nopal en Sudamérica) (Fig. 3.18). La biomasa del nopal permite la generación de energía limpia inagotable, renovable mediante granjas de energía. Es importante destacar que no se trata de un desecho sino de un cultivo que ha sido seleccionado por sus cualidades genéticas y de producción de biomasa. El nopal presenta excelentes características moleculares lo cual permite entregar una gran cantidad de biogás en muy corto tiempo, en términos comparativos para un mismo volumen de biogás el nopal se degrada 5-10 veces más rápido que el estiércol animal, ello permite que un mismo equipo sea 5-10 veces más productivo. Además no produce ácido sulfhídrico el cual al ser quemado en contacto con el aire se transforma en óxidos de azufre y posteriormente en ácido sulfhídrico produciendo lluvia ácida. Genera polos de desarrollo sostenibles, tanto económicos, sociales y ambientales, además el nopal es renovable por lo cual los contratos a productores son en base a vida útil de proyecto a 15 años con lo cual el productor puede arriesgar su capital y los consumidores tienen garantizada la producción por un largo periodo. La energía del nopal es limpia, inagotable, genera bonos de carbono, empleos permanentes y soluciona el problema energético en forma sostenible a corto, mediano y largo plazo. El proceso que plantea la empresa es el siguiente (Fig. 3.19): Francisco Cabello Pérez 46

47 Tecnologías de producción Fig. 3.19: Esquema utilización del nopal. [27] Algunos de los datos sobre la producción que nos aporta la empresa (Tabla 3.5): Disponibilidad Continua 24hrs X 365 días. Mantenimiento Bajo en condiciones de operación, cada dos años pintura. Poco personal. Mantenimiento en fallas Rápida, y bajo costo. Personal de calificación media. Tipo de energía generada Eléctrica, biogás, térmica (agua caliente). Eficiencia generación energía % Duración de equipos e instalaciones años. Genera suelo, fertilizantes orgánicos. Cambia el microclima reteniendo agua Beneficio ambiental el suelo. Extrae dióxido de carbono del ambiente. Permite la venta de bonos de carbono. Proceso totalmente orgánico Perjuicio ambiental Desconocido Disponibilidad de repuestos Disponibles en mercado nacional en forma inmediata. Tiempo de estudio e implementación de proyecto Corto, 1 año Beneficio Social Genera puestos de trabajo permanentes para siembra cosecha, y plantas de proceso. Culturalmente el cultivo del nopal es aceptado y favorecido por instituciones Externalidades positivas del estado. Permite la abertura de nuevos mercados al ser considerada una empresa verde que cuida el medioambiente. Externalidades negativas Pocas plantas construidas en el mundo, desconocidas en México Costo instalación KWh instalado US1200/ KWH (no incluye ingresos por subproductos y bonos de carbono) Recuperación de la inversión 1 a 2 años Tabla 3.5: Datos de producción energía del Nopal. [27] Francisco Cabello Pérez 47

48 Tecnologías de producción Investigaciones con residuos agrarios e industriales Científicos de la Universidad de Cádiz han puesto en marcha un proyecto, integrado en el Plan Nacional de I+D+i y enmarcado en el programa científico del Campus de Excelencia Internacional Agroalimentario (ceia3), que tiene como principal objetivo la obtención de bioetanol a partir de residuos agrarios como el orujo de uva, la cáscara de la naranja, la paja de trigo o la cascarilla del arroz. Un proceso para el que pretenden producir enzimas mediante fermentación en estado sólido, para ayudar a abaratar los costes originados dentro del proceso de producción de este biocombustible. En este proyecto titulado Hidrólisis enzimática de residuos agroalimentarios lignocelulósicos para bio-refinería se pretende partir de estos cuatro residuos agrarios para obtener extractos enzimáticos útiles para la hidrólisis, un paso fundamental en la producción de biocombustibles. La materia prima aquí está formada por residuos, sin utilidad alimentaria y que son contaminantes, ya que cuesta mucho gestionarlos y tienen un fuerte impacto sobre el medioambiente. Uno de los objetivos del grupo de investigación es producir enzimas que hidrolicen bien los polímeros de la celulosa para transformarlos en azúcares. No obstante, las enzimas suponen un elevado coste en este proceso, por lo que se han propuesto reducir este apartado de forma drástica gracias a la fermentación en estado sólido. Este tipo de fermentaciones en estado sólido suelen ser mucho más económicas y presentan menor riesgo de contaminación que las que se realizan en cultivos sumergidos y se centra en el hecho de que el sustrato del cual se alimenta el microorganismo (en este caso un tipo de hongo) es un sólido, por ejemplo, un residuo agrícola. Por consiguiente, el hongo crece directamente sobre el sustrato sólido formando una película sobre él. Así las cosas, y a través de este proyecto, los científicos de la UCA quieren probar qué sucede al trabajar con los residuos ya señalados, combinados con tres microorganismos diferentes, mediante fermentaciones en estado sólido. La idea es establecer cuál es el hongo más adecuado, es decir, el que produce mayor cantidad de enzimas y con mejores actividades, para digerir luego esos mismos residuos y obtener azúcares fermentables destinados a la producción de bioetanol; y el residuo más adecuado, con idea de reducir los costes en este complejo proceso que tiene como resultado final el bioetanol Planta de 2G: Proyecto Hugoton Abengoa Bioenergy New Technologies lidera la ejecución de este proyecto. Su principal objetivo es diseñar, construir y explotar esta planta comercial híbrida de biomasa y almidón (inputs), con una capacidad de producción 380 millones de litros de etanol. Los objetivos específicos de este proyecto son los siguientes: - Demostrar la viabilidad comercial del proceso de conversión de la biomasa en etanol. - Verificar que las tecnologías desarrolladas pueden adaptarse a las plantas actuales y futuras. Francisco Cabello Pérez 48

49 Tecnologías de producción La filial ABNT ha sido seleccionada para diseñar, construir y explotar esta gran biorrefinería de demostración para el Departamento de Energía del Gobierno Federal de Estados Unidos (DOE), cuya subvención servirá para financiar parcialmente el proyecto. La planta de biorrefinería estará ubicada junto a una planta de etanol de almidón, y la unión de ambas conformará un complejo híbrido en Hugoton, Kansas, EE. UU. La biorrefinería dispondrá de una capacidad mínima de conversión de 700 toneladas/día y constará de dos partes: hidrólisis enzimática (EH) y gasificación. La parte de EH convertirá la biomasa (400 toneladas/día) en bioetanol, lignina y alimento para animales. La parte de gasificación convertirá al día 300 toneladas de biomasa en gas de síntesis, que será quemado para generar vapor. Este vapor se utilizará dentro de la planta de biomasa y la cantidad sobrante se venderá a la planta de almidón adyacente. Abengoa recibió el permiso el 16 de Septiembre de 2011, e inmediatamente comenzó con las labores de construcción de la planta. Está previsto que el período de construcción dure unos 24 meses. Una vez finalizada, la planta tendrá una capacidad de producción de unos 100 millones de litros anuales de etanol celulósico limpio y sostenible. Se trata de la construcción de la primera planta a escala comercial que producirá etanol de segunda generación a partir de biomasa, lo que les permitirá utilizar la tecnología propia en la que han trabajado más de diez años y que han perfeccionado para producir etanol a partir de biomasa, la materia prima orgánica más abundante en la tierra. Francisco Cabello Pérez 49

50 Producción de biocarburantes 4. Producción de biocarburantes 4.1. Plantas de producción Principales elementos que configuran el panorama de los biocarburantes en España [5]: Biodiésel - En el año 2008 existían 36 plantas de producción de biodiésel en España con una capacidad total instalada que supera los dos millones de toneladas/año. Durante 2008 entraron en funcionamiento 12 nuevas plantas que incrementaron la capacidad instalada en 1,2 millones de toneladas, lo que supone multiplicarla por 2,5 (Fig. 4.1). - A pesar del significativo incremento en la capacidad instalada, la producción de biodiésel en España creció sólo un 28% respecto al año anterior, situándose en algo más de toneladas. Ello supuso un nuevo record negativo del ratio producción / capacidad, que se situó en el 9% en Dos terceras partes de las plantas estuvieron paradas o produciendo por debajo del 10% de su capacidad. - Todo ello mientras el consumo de biodiésel en automoción en España se dobló el año 2008 hasta situarse en más de toneladas [20]. El 71% de este consumo se satisfizo con biodiésel importado, cuando en 2007 dicha cuota de mercado fue del 51%. Fig. 4.1: Instalaciones de producción de biodiesel en España. Año2010. [16] Francisco Cabello Pérez 50

51 Producción de biocarburantes Si avanzamos en el tiempo nos encontramos que las importaciones de biodiésel, procedentes casi totalmente de Argentina e Indonesia, alcanzaron en el último trimestre de 2011 una cuota del 89% del mercado español. Pese al aumento de la demanda de biodiésel, la producción de la industria nacional bajó en por primera vez en la historiaderrumbándose casi un 50% y situando el ratio medio de utilización de su capacidad en sólo el 14%. La crisis que arrastra la industria española del biodiésel desde hace varios años está causada por la competencia desleal de Argentina e Indonesia, países que aplican un sistema de tasas diferenciales a la exportación (TDE) mediante las que gravan en menor medida el biodiésel que las materias primas utilizadas para su fabricación. Ello otorga a ambos países una ventaja competitiva artificial, estimada en más de 100 por tonelada de biodiésel, que ha llevado a la parálisis a la gran mayoría de las cincuenta plantas existentes en España, entre las que se extienden los concursos de acreedores y las regulaciones de empleo, sin que ni siquiera las fábricas más grandes estén en condiciones de aguantar esta situación por mucho más tiempo. Principales magnitudes del biodiésel en España en 2011 El consumo de biodiésel en España en 2011, se situó en 1,6 millones de toneladas [20], lo que supuso un aumento del 21% respecto al año anterior. Según los últimos datos oficiales de Aduanas, durante el último trimestre del pasado año entraron en España más de toneladas de biodiésel puro, lo que representó un 89% del consumo nacional en ese mismo período. En el conjunto del año, las importaciones de biodiésel aumentaron un 44% respecto al ejercicio anterior, superando los 1,2 millones de toneladas, lo que supuso una cuota de mercado anual del 74% (62% de 2010). Cerca del 90% de todas estas importaciones provinieron directamente de Argentina e Indonesia. El significativo aumento de las importaciones, tanto en términos absolutos como relativos, unido a una acusada reducción de las exportaciones (-67%), provocaron el derrumbe de la producción nacional de biodiésel en 2011, que disminuyó, por primera vez en la historia, un 46% respecto al año anterior, situándose por debajo de las t. Con esta producción, la tasa media de actividad del sector en España se situó en un 14% con respecto a la capacidad instalada (4,5 Mt), frente al 28% de 2010, cifras ambas que son incompatibles con la supervivencia económica del sector. Bioetanol - En el año 2008 existían 4 plantas de producción de bioetanol en España con una capacidad total instalada de toneladas/año. En 2008 no entró en funcionamiento ninguna nueva planta ni las preexistentes incrementaron su capacidad productiva. En 2010 entran en funcionamiento dos nuevas plantas. - La producción de bioetanol en España descendió en 2008 por segundo año consecutivo (-3,8%) situando el ratio producción/capacidad en el 60%, el más bajo de los últimos años. Francisco Cabello Pérez 51

52 Producción de biocarburantes Fig. 4.2: Instalaciones de producción de bioetanol y ETBE en España. Año2010. [16] Inventario de plantas existentes A continuación se muestra una relación de las plantas de bioetanol y biodiésel instaladas en España en diferentes años (Tablas 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5): Francisco Cabello Pérez 52

53 Producción de biocarburantes Localización y Capacidad de las plantas de biodiésel 2007 Tabla 4.1: Localización y Capacidad de las plantas de biodiésel [5] Francisco Cabello Pérez 53

54 Producción de biocarburantes Nuevas plantas de biodiésel en 2008 Nuevas plantas de biodiésel en 2009 Tabla 4.2: Nuevas plantas de biodiésel en [5] Tabla 4.3: Nuevas plantas de biodiésel en [5] Francisco Cabello Pérez 54

55 Producción de biocarburantes Nuevas plantas de biodiésel en 2010 Tabla 4.4: Nuevas plantas de biodiésel en [5] Localización y capacidad de las plantas de bioetanol en 2007 Tabla 4.5: Localización y capacidad de las plantas de bioetanol en [5] Se debe señalar la puesta en marcha de dos plantas más de Bioetanol en 2010: Albiex (Badajoz) de t de capacidad, y Sniace Biofuels (Cantabria) de t de capacidad [5] Economía de la producción de biocarburantes (costes actuales y posibilidades para el futuro) Análisis de los costes de la biomasa Todos los estudios a nivel internacional, específicamente los elaborados por la IEA, señalan que el precio del petróleo seguirá en una senda ascendente debido a una combinación de mayor demanda, mayor escasez y mayor coste de su extracción. La ubicación de los yacimientos de petróleo, muchas veces en países con regímenes poco garantistas en términos de transacciones comerciales, actúa también como motor hacia la búsqueda de Francisco Cabello Pérez 55

56 Producción de biocarburantes combustibles para el sector transporte menos dependientes del precio del crudo y que ofrezcan estabilidad de precios a largo plazo. En este sentido, la biomasa y la generación de biocombustibles a partir de ella, se plantea como una de las grandes apuestas de futuro para contrarrestar los problemas derivados del consumo de petróleo. Sin embargo, frente a otros tipos de fuentes de energía renovable cuyo recurso es de libre acceso (sol, viento, etc.), y con la excepción de los residuos, el coste de la biomasa suele representar entre el 50%-90% del coste de producción de la bioenergía. Así, de forma general se suele tomar el rango 3-4 $/GJ como límite superior de costes de energía de la biomasa si se quiere lograr una fuerte expansión de este tipo de producción de energía en todos los sectores. Por otro lado, la utilización de residuos de la biomasa para otros fines, como alimento de animales, puede aumentar el valor del producto y disminuir el coste de producción energética, algo que no se contempla en este apartado. También hay que señalar que la estructura de costes depende en gran medida de la infraestructura previa de la que se dispone, así como de la tecnología empleada para cosechar. Además, la falta de transparencia en algunos mercados, especialmente en el de recursos forestales, hace difícil asignar precios al recurso en el mercado. Aun así, los costes de producción de biomasa forestal están muy establecidos, oscilando entre los 2,3-6,4 $/GJ para biomasa entregada en planta de valorización energética (IEA Bioenergy, 2009). Estos costes varían significativamente en función del país, y vienen afectados por las condiciones específicas de la plantación forestal, distancia al centro de valorización energética, técnicas de recogida y tratamiento de biomasa, etc Análisis de los costes de los biocombustibles Los costes de producción de biocombustibles varían de forma considerable en relación con el tipo de materia prima utilizada, la eficiencia y complejidad de la planta de producción, el precio del barril de petróleo (tanto por su repercusión en costes de transporte como de precio de fertilizantes), y al número de horas que la planta opera al año. Se puede observar dicha variabilidad en el siguiente gráfico (Fig. 4.3), que detalla los costes de producción en USD/lge (litre of gasoline equivalent) para distintas tecnologías y precios de barril de petróleo en corto (color negro) y largo plazo (color rojo): Francisco Cabello Pérez 56

57 Producción de biocarburantes Fig. 4.3: Evolución de costes de producción de biocombustibles y de hidrógeno a partir de distintos tipos de biomasa y de procesos. [40] Por otro lado, no se sabe todavía con seguridad cuándo los biocombustibles de segunda generación (2G) serán comercialmente competitivos, pero la IEA en su Escenario WEO estima que será hacia el año 2015 (IEA ETP, 2010). Mientras, se van produciendo anuncios como el de la empresa Novozymes, que consiguió en marzo de 2009 alcanzar el coste de 1$/galón y espera llegar a los 0,5$/galón dentro del año En este apartado nos centraremos, principalmente, en los costes de producción de biocombustibles 2G (lignocelulósicos), al considerar que son la gran apuesta de futuro en el desarrollo de esta fuente de producción de energía. Así, según los últimos estudios realizados, el coste de inversión de plantas para la fabricación de biocombustibles lignocelulósicos con un rango de producción de Ml/año se sitúa en los millones de dólares, hasta diez veces por encima de lo que cuesta una planta de fabricación de biodiésel de primera generación (IEA/OCDE). Por otro lado, los suministros de la biomasa que actúa como materia prima oscilan en precio dependiendo del país y aumentan con el volumen requerido en la planta de producción de biocombustibles. Así, el coste de suministro de biomasa sobre el total se sitúa en el 10%-25%, pero puede alcanzar el 65% en localizaciones menos favorables. Los costes de producción, en el caso de los biocombustibles 2G, se ven muy afectados por los costes de inversión (40%-50% del total), aunque también por los propios costes de suministro de biomasa (35%-42%, IEA ETP, 2010). Se estima que a largo plazo el porcentaje asignado a los costes de inversión disminuirá (al madurar la tecnología), con lo que el porcentaje asignado a los costes de suministro de la biomasa aumentará. También resulta llamativo comprobar que hacia la mitad de 2008, cuando el precio del crudo alcanzaba su máximo histórico el precio del etanol y gasolina en el mercado de futuros Francisco Cabello Pérez 57

58 Producción de biocarburantes se solapaban, manteniéndose claramente separados desde entonces hasta que, de nuevo en abril de 2010 se vuelven a solapar, como se puede observar a continuación (Fig. 4.4): Fig. 4.4: Evolución de los precios de distintos combustibles en el mercado de futuros, corrigiendo la diferencia de poder calorífico entre ellos: (a) Etanol frente a gasolina; y (b) Biodiésel frente a gasoil. [40] Esto indica que ocurren episodios en los que resulta más barato comprar etanol que gasolina en los mercados de futuros. Para el caso del biodiésel a partir de datos más recientes podemos deducir que la diferencia de precios con el gasoil se mantiene proporcionalmente muy elevada, aunque empezando a acercarse. Otros estudios confirman lo anterior, señalando que el coste medio del proceso de fermentación para generar etanol a partir del azúcar se encuentra en paridad con el de la producción de gasolina para un precio de barril entre 50 y 80 dólares. En cambio, el proceso de transesterificación para producir biodiésel ofrece un coste medio superior (Fig. 4.5): Fig. 4.5: Cálculo de costes (LCOE: levelized cost of energy) de combustibles para transporte obtenidos a partir distintas tecnologías. [40] En el gráfico anterior también se puede ver el coste medio de otros procesos en los que se obtienen biocombustibles 2G, así como el peso que tiene el coste de la inversión, el coste de la materia prima y el del proceso de conversión para la obtención de biocombustibles. Así, los procesos de hidrólisis ácida e hidrólisis enzimática (típicos para procesos de obtención de Francisco Cabello Pérez 58

59 Producción de biocarburantes bioetanol de segunda generación) se sitúan en la zona de mayores costes, aunque es previsible que se reduzcan en el corto plazo. En cuanto a los biocombustibles 3G, en el caso de las bioalgas, aún no se han detectado datos contrastados sobre costes. No obstante, estudios iniciales indican que éstos son muy altos, considerando que actualmente no sería una tecnología competitiva con los precios de barril de petróleo incluso en el rango de los $. Por este motivo, se está tratando de reducir costes a través de la fabricación de co-productos (comida para animales, productos químicos, pigmentos...) en el proceso de obtención de biocombustibles. Sin embargo, se plantea que el valor aproximado actual de estos co-productos (0,92 1,84$/l) puede verse fuertemente mermado si la producción de algas para biocombustibles aumenta de forma sustancial. Así, debe hacernos reflexionar el hecho de que el volumen de mercado global de microalgas asciende a millones de euros, lo que implica un precio medio de 250 /kg. Si comparamos este precio con el de aceite de palma (para la generación de biodiésel), en este segundo caso la producción alcanza los 40 millones de toneladas, con un precio de mercado de 0,50 /kg (Steen et al., 2010). Por tanto, la producción de microalgas necesita aumentar mucho en volumen y reducirse mucho en precio. En cuanto a los costes de producción actuales de hidrógeno, éstos son muy elevados y condicionados por la evolución de los precios del carbón y del gas natural (muy volátil en este caso), dado que son las materias primas de las que se obtiene casi en su totalidad. También se deben considerar otros factores que aumentan o disminuyen el coste final del hidrógeno: - Aprovechamiento del oxígeno producido. - Transporte del hidrógeno. - Almacenamiento de hidrógeno centralizado. De acuerdo con distintos trabajos publicados en revistas científico-tecnológicas sobre los costes de producción de hidrógeno con tecnologías alternativas al carbón y al reformado de metano en instalaciones centralizadas, en valor a 2009, se observa que la tecnología renovable que se encuentra más cerca de la paridad con la producción de hidrógeno a partir del carbón es la gasificación de biomasa. En instalaciones descentralizadas (las más adecuadas para su desarrollo para abastecer de hidrógeno al sector transporte) se comprueba que la tecnología renovable más cercana a la paridad es la que utiliza biocombustibles, produciéndose la paridad entre los costes de producción de hidrógeno descentralizado por SMR y fuentes renovables a mediados de esta década Sostenibilidad de los biocarburantes EL DESARROLLO SOSTENIBLE ES EL QUE SATISFACE LAS NECESIDADES ACTUALES DE LAS PERSONAS SIN COMPROMETER LA CAPACIDAD DE LAS FUTURAS GENERACIONES PARA SATISFACER LAS SUYAS. (COMISIÓN BRUNDTLAND, 1987) Francisco Cabello Pérez 59

60 Producción de biocarburantes Fig. 4.6: Esquema de desarrollo sostenible. [21] Criterios de sostenibilidad El 23 de Enero de 2009 la Comisión Europea publicó la propuesta de Directiva para el fomento de las Energías Renovables ( RED en inglés o DER en su abreviatura en español): - Objetivo: 20% de energías renovables en Objetivo: 10% de energía de fuentes renovables para el transporte en 2020 La DER incorpora los criterios de sostenibilidad obligatorios para que los biocarburantes puedan contabilizar para el objetivo y recibir beneficios fiscales. A continuación se repasarán los criterios adoptados por la directiva: Reducción de GEI - Los biocarburantes deberán reducir como mínimo un 35% las emisiones de GEI en comparación con los carburantes fósiles. - El umbral mínimo de ahorro de emisiones se eleva al 50% a partir del año A partir del 1 de enero de 2018 será del 60 % como mínimo para los biocarburantes y biolíquidos producidos en instalaciones cuya producción haya comenzado a partir del 1 de enero de En el caso de que el biocarburante haya sido producido en instalaciones que estuvieran operativas en enero de 2008 la exigencia de reducción de GEI entrará en vigor a partir del 1 de abril de Se establecen valores de reducción por defecto para cada tipo de biocarburante. - Se establece la metodología de cálculo de emisiones. Protección de la biodiversidad Las materias primas para la producción de biocarburantes no podrían obtenerse de zonas que en enero de 2008 estuvieran catalogadas como: Francisco Cabello Pérez 60

61 Producción de biocarburantes - Bosques primarios. - Zonas para la protección de la naturaleza. - Zonas para la protección de especies amenazadas. - Prados con elevada biodiversidad. Protección de las reservas de carbono Las materias primas para la producción de biocarburantes no podrían obtenerse de zonas que en enero de 2008 estuvieran catalogadas como: - Humedales (zonas cubiertas por o saturadas de agua durante una parte significativa del año). - Zonas arboladas continuas. Los cultivos dentro de la Comisión deberán haberse obtenido de acuerdo con los criterios medioambientales de la PAC. La Comisión deberá estudiar qué medidas equivalentes se toman en terceros países. Gestión de los efectos indirectos La Comisión deberá presentar en 2011 una metodología para calcular las emisiones debidas al cambio indirecto de uso del suelo. La Comisión deberá estudiar y recoger en un informe los impactos de los biocarburantes sobre: - Impactos sociales. - Disponibilidad de alimentos a precios asequibles. - Respeto de los derechos de propiedad de la tierra. - Incluir información sobre la ratificación e implementación de una serie de tratados internaciones sobre los derechos de los trabajadores y el trabajo infantil. Adicionalmente la Comisión podrá proponer medidas correctivas. Verificación del cumplimiento de los criterios de sostenibilidad - Los agentes económicos deberán demostrar el cumplimiento de los criterios mediante un sistema de Balance de Masas. - Los agentes económicos estarán obligados a establecer sistemas de auditoría independiente sobre la información que remiten. - La Comisión podrá declarar acuerdo bi/multilaterales con terceros países. Estos acuerdos demostrarán que los biocarburantes producidos a partir de materias primas cultivadas bajo estos acuerdos cumplen los criterios de sostenibilidad (RSPO, RTRS, RSB) Sostenibilidad en Europa A continuación se expone el estado del actual marco regulatorio sobre sostenibilidad de biocarburantes para algunos de los países de la UE y los esquemas voluntarios: Francisco Cabello Pérez 61

62 Producción de biocarburantes España - La Directiva se adoptó el 4 Noviembre 2011 a través del Real Decreto (1597 / 2011). - La institución gubernamental encargada es el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio (MITyC). - Inclusión de periodo transitorio: desde el 4 Noviembre 2011 hasta la aprobación de todas las disposiciones reglamentarias necesarias para su desarrollo y aplicación por parte del MITyC y de la Comisión Nacional de la Energía (CNE); a partir de entonces será necesario reportar la información de sostenibilidad. - Aceptación directa de esquemas voluntarios: sí. - Requisitos a cumplir por los operadores económicos (ruta nacional): pendiente de publicar tres Disposiciones donde se detallarán los requisitos específicos. - Reporte de información de sostenibilidad: La fecha a partir de la cual los sujetos obligados deben remitir información sobre sostenibilidad a la CNE, con la periodicidad y forma que ésta determine, en el periodo transitorio, es el 1 de enero de La información se referirá a los biocarburantes o biolíquidos vendidos o consumidos a partir de dicha fecha y será al menos: o o o Identificación de la partida, el tipo de biocarburante o biolíquido, su volumen, las materias primas utilizadas y los países de primer origen tanto de éstas últimas como del propio biocarburante o biolíquido. Para cada uno de los criterios de sostenibilidad, se indicará la alternativa de cumplimiento, indicando en su caso la denominación del régimen voluntario o del acuerdo Declaración responsable, según el modelo aprobado por circular de la CNE, en la que conste que: Se ha aplicado el sistema de balance de masa y se cumplen los criterios de sostenibilidad de los biocarburantes y biolíquidos. Fig. 4.7: Projected RES for Spain / Spain plans to fulfill the RED [35] Francisco Cabello Pérez 62

63 Producción de biocarburantes Francia - La Directiva se adoptó el 14 Septiembre 2011 a través de la Orden ( ), el Decreto (NOR:DEVR D) y el Manual (Arrêté). - La institución gubernamental encargada es la Dirección General de la Energía y Clima. - Inclusión de periodo transitorio: finaliza en 31 de diciembre del 2011, a partir de entonces es necesario reportar la información de sostenibilidad. - Aceptación directa de esquemas voluntarios: sí. - Requisitos a cumplir por los operadores económicos (ruta nacional): pendiente de publicar el Manual donde se detallarán los requisitos a cumplir. - Reporte de información de sostenibilidad: desde 1 Enero de En Abril de 2012 será necesario reportar un informe anual de las cantidades introducidas a la Dirección General de la Energía y Clima. Se habilitará web para ello Suecia - La Directiva se adoptó en 2010 a través del Acta (SFS 2010:598), aunque en Septiembre 2011 se han aprobado en el Parlamento Sueco enmiendas a dicha Acta, que entraron en vigor el pasado 1 de Noviembre La institución gubernamental responsable es la Agencia Sueca de la Energía. - Inclusión de periodo transitorio: no se menciona. - Aceptación directa de esquemas voluntarios: sí. - Requisitos a cumplir por los operadores económicos (ruta nacional): expuestos en detalle en la guía de sostenibilidad publicada en Junio Se espera que dicha guía sea modificada conforme la enmienda del Acta y se publiquen guías adicionales sobre requisitos de verificación y uso de suelo. - Reporte de información de sostenibilidad: desde el 1 Noviembre de En Abril de 2012 será necesario reportar un informe anual de las cantidades introducidas a la Agencia Sueca de la Energía. Se habilitará web para ello Dinamarca - La Directiva se adoptó en 2010 a través del Acta (Act No. 468 of 12 June 2009) y una Notificación. - La institución gubernamental encargada es la Agencia Danesa de la Energía. - Inclusión de periodo transitorio: finaliza en 31 de Diciembre del Durante este periodo la información de sostenibilidad de las partidas puede reportarse como unknown. - Aceptación directa de esquemas voluntarios: sí. - Requisitos a cumplir por los operadores económicos (ruta nacional): expuestos con claridad en el Manual de sostenibilidad publicado en Agosto Reporte de información de sostenibilidad: desde 1 Enero de En Abril de 2012 será necesario reportar un informe anual de las cantidades introducidas a la Agencia Danesa de la Energía. Se habilitará web para ello. Francisco Cabello Pérez 63

64 Producción de biocarburantes Otros Otros países que han transpuesto la directiva son, por ejemplo, Italia, Finlandia y Portugal. Se adjuntan a continuación tablas comparativas (Tabla 4.6 y 4.7) que muestran el estado de los países de la UE respecto a varios aspectos clave: Tabla 4.6: Summary table of the current national transposition status of the RED and FQD amongst EU member states. [35] Francisco Cabello Pérez 64

65 Producción de biocarburantes Tabla 4.7: Tabla comparativa de los regímenes nacionales de sostenibilidad a 8/3/2012. [17] Francisco Cabello Pérez 65

66 Producción de biocarburantes Esquemas voluntarios de certificación La Comisión Europea reconoció el 23/7/2011 siete regímenes voluntarios para probar la sostenibilidad de los biocarburantes. Se trata de ISCC, Bonsucro EU, RTRS EU RED, RSB EU RED, 2BSvs, RSBA y Greenergy. Este reconocimiento incide directamente en los 27 Estados miembros, y serán tenidos en cuenta para recibir subvenciones estatales, o a efectos de los objetivos nacionales obligatorios en materia de renovables. Las críticas constantes a las que se han enfrentado los biocarburantes de primera generación, antes incluso de que salieran al mercado, ha exigido que todas las partes implicadas muevan ficha. Porque si para su producción hay que convertir la selva tropical y las turberas ricas en carbono en plantaciones de palma para aceite o de caña de azúcar, las cuentas no salen. Por eso se han buscado mecanismos que demuestren la sostenibilidad de los biocarburantes, bien a través de los Estados miembros, o de regímenes voluntarios aprobados por la Comisión Europea, como los siete que acaban de ver el visto bueno. El Comisario de Energía, Günther Oettinger, señaló que "tenemos que garantizar que toda la cadena de producción y abastecimiento de biocarburantes sea sostenible. Para ello hemos establecido las normas de sostenibilidad más exigentes del mundo. Los regímenes reconocidos en la UE son buenos ejemplos de un sistema transparente y fiable para garantizar que se cumplen las citadas normas". Para recibir subvenciones estatales, o ser tenidos en cuenta a efectos de los objetivos nacionales obligatorios en materia de energías renovables, los biocarburantes consumidos en la UE, tanto si se producen localmente como si son importados, deben ajustarse a los criterios de sostenibilidad. La finalidad de estos criterios es evitar que zonas de gran biodiversidad y elevadas reservas de carbono sean reconvertidas en zonas de producción de materias primas destinadas a la fabricación de biocarburantes. En la práctica esto significa que los biocarburantes fabricados con el producto de cosechas cultivadas en territorios que anteriormente eran selvas o praderas, con su ecosistema propio, no pueden considerarse sostenibles. Por otro lado, la emisión de gases de efecto invernadero debe ser, considerando toda la cadena de producción, al menos un 35% inferior a la de los combustibles fósiles. Este porcentaje se irá haciendo más estricto con el tiempo. Regímenes reconocidos La UE se ha planteado el objetivo de alcanzar para 2020 un porcentaje mínimo del 10% de energías renovables en el transporte. Si para conseguir este objetivo se utilizan biocarburantes, es necesario que éstos se ajusten a unas condiciones mínimas de sostenibilidad. Por ejemplo, como se ha comentado, los biocarburantes no pueden proceder de zonas con un algo grado de biodiversidad. Las empresas pueden demostrar que cumplen estas condiciones mínimas, bien sometiéndose a su normativa nacional, o estableciendo un régimen voluntario reconocido por Francisco Cabello Pérez 66

67 Producción de biocarburantes la Comisión. Si la Comisión, tras evaluar atentamente un régimen a tenor de las condiciones mínimas de sostenibilidad, considera que cumple satisfactoriamente los requisitos de la Directiva sobre energía procedente de fuentes renovables, le otorga su reconocimiento durante cinco años. El régimen comprueba dónde y cómo se producen los biocarburantes. Si se cumplen las normas del régimen voluntario, el régimen puede conceder un certificado al producto. Después de una "cuidadosa evaluación, y de aportar diversas mejoras a los regímenes", la Comisión ha reconocido los siguientes: - ISCC: Régimen alemán financiado públicamente que cubre todos los tipos de biocarburantes. - Bonsucro EU: Iniciativa sobre los biocarburantes a base de caña de azúcar, centrada en Brasil. - RTRS EU RED: Iniciativa sobre los biocarburantes a base de soja, centrada en Argentina y Brasil. - RSB EU RED: Iniciativa que cubre todos los tipos de biocarburantes. - 2BSvs: Régimen instaurado por el sector francés, que cubre todos los tipos de biocarburantes. - RSBA: Régimen instaurado por Abengoa para cubrir su cadena de abastecimiento. - Greenergy: Régimen instaurado por Greenergy, centrado en el etanol de caña de azúcar de Brasil. Además la Comisión está negociando con otros regímenes voluntarios para ver cómo pueden mejorarse sus características de forma que se ajusten a las condiciones de sostenibilidad de los biocarburantes. Análisis de esquema voluntario (RBSA) A continuación se analizará brevemente uno de los esquemas del ámbito de la UE, desgranando y evaluando los aspectos a cumplir dentro de la directiva DER. El estándar analizado será el RBSA (desarrollado por Abengoa, origen español). Los parámetros a evaluar serán, de acuerdo con la directiva 2009/28/CE: - Criterios de sostenibilidad: - Cadena de custodia: - Calidad de auditoría: Reducción de emisiones GEI (art. 17.2) Conservación de la biodiversidad (art. 17.3) Conservación de reservas de carbono (art. 17.4) Conservación de las turberas (art. 17.5) Uso de sistema de balance de masas (art. 18.1) Nivel adecuado de auditoría independiente (art. 18.3) Francisco Cabello Pérez 67

68 Producción de biocarburantes RBSA Abengoa Bioenergía es un productor de biocombustibles con base en Europa. La compañía ha desarrollado el " RED Bioenergy Sustainability Assurance Scheme " (RBSA), inicialmente destinado a ser utilizado para la producción de biocombustibles propia y otras operaciones minoristas, pero también por todos los operadores económicos interesados en unirse al esquema (Fig. 4.8). Fig. 4.8: Assessment results - summary. [36] Algunos ejemplos de cumplimiento de los requisitos de sostenibilidad: Reducción de emisiones GEI - Reducción del 35% GEI: Todos los lotes bajo este esquema tendrán una emisión asignada. Está emisión tendrá un umbral de reducción apropiado ( This GHG saving shall be at least 35%. With effect from January 1, 2017, the GHG emission saving shall be at least 50%. And from January 1, 2018, GHG saving shall be at least 60% for biofuels produced in facilities where production started on or after January 1, ). - La reducción GEI se calculará conforme a la DER (19.1, 19.3). Conservación de la biodiversidad - Conservación de selvas y otras zonas boscosas: El cumplimiento de la cláusula se demostrará a través de un análisis comparativo entre el año inicial de referencia (2008) y el año de referencia final. Francisco Cabello Pérez 68