InformesISF 2 Producción de biodiésel Aplicaciones a países en desarrollo Yuri Herreras Yambanis, Julio Lumbreras Martín, José Luis Postigo Sierra y Eduardo Sánchez Jacob
2 Índice 2007 Ingeniería Sin Fronteras AGRADECIMIENTOS: Gabriel Pons y Abigaid Fernández-Amaro Esta obra está distribuida bajo una licencia Attribution-NonCommercial-No Derivs 2.5 Spain License de Creative Commons, disponible en: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/es (resumen licencia), http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/es/legalcode.es (texto completo) La versión electrónica de este documento se puede descargar de: http://www.isf.es ISBN: 978-84-690-8468-7 DEPÓSITO LEGAL: M. 44.261-2007 DISEÑO Y MAQUETACIÓN: más!gráfica IMPRIME: Artegraf, S.A. 3 PRESENTACIÓN 4 1. INTRODUCCIÓN 4 1.1. Tipos de aceites 4 1.2. Tipos de procesos: transesterificación 5 1.3. Definición de biodiésel y sus aplicaciones 6 2. MATERIA PRIMA PARA LA OBTENCIÓN DE BIODIÉSEL 8 3. VIABILIDAD INDUSTRIAL 8 3.1. Tecnología para la obtención de aceite 9 3.2. Tecnología para la obtención de éster 11 3.3. Tecnología para la obtención de glicerina 12 3.4. Factores que influyen en el proceso de producción 13 3.5. Principales empresas con tecnología de biodiésel y esquema general de una planta 15 3.6. Principales aplicaciones y especificaciones técnicas para biodiésel 17 4. VIABILIDAD ECONÓMICA 17 4.1. Análisis económico de plantas de producción de biodiésel 20 4.2. Análisis de rentabilidad: factores críticos 20 4.2.1. Análisis de las materias primas: coste del aceite 22 4.2.2. Análisis de los subproductos: precio de la glicerina 25 4.2.3. Análisis del precio del biodiésel 28 5. POSIBLES ESCALAS DE PROYECTOS 28 5.1. Gran escala 29 5.1.1. Iniciativas Privadas 30 5.1.2. Partenariados Público-Privados (PPP) 32 5.2. Mediana escala 34 5.3. Pequeña escala 36 5.4. Opciones de futuro para países en desarrollo 38 6. SITUACIÓN DEL BIODIÉSEL EN AMERICA LATINA 40 7. ANALISIS DE DEBILIDADES, AMENAZAS, FORTALEZAS Y OPORTUNIDADES (DAFO) AMBIENTALES Y SOCIOECONÓMICAS 40 7.1. Análisis DAFO Ambiental 40 7.1.1. Debilidades 40 7.1.2. Amenazas 41 7.1.3. Fortalezas 41 7.1.4. Oportunidades 41 7.2. Análisis DAFO Socioeconómico 41 7.2.1. Debilidades 42 7.2.2. Amenazas 42 7.2.3. Fortalezas 42 7.2.4. Oportunidades 44 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 45 9. REFERENCIAS 46 10. BIBLIOGRAFÍA 50 11. LISTADO DE TABLAS Y FIGURAS
3 Presentación Los biocombustibles, o agrocombustibles, serán en los próximos años uno de los elementos principales del debate energético, agrario, de seguridad alimentaria o de sostenibilidad ambiental. En las últimas décadas, eran pocos los países que habían apostado por la producción masiva de biocombustibles, siendo Brasil una referencia indiscutible. Sin embargo, desde que la Unión Europea aprobó la Directiva 2003/30/EC que establece que antes del 2011 el 5,75% de la energía primaria usada para el transporte en los países que la componen debe ser de origen vegetal (1) estamos presenciando una auténtica revolución en este campo, no exenta de polémicas. Como se muestra en el informe que se presenta a continuación, los biocombustibles son una alternativa al petróleo técnica y económicamente viable. Esto permitirá a muchos países, que hasta la fecha importan petróleo, diversificar sus fuentes de aprovisionamiento y en muchos casos producir internamente parte del combustible que necesitan para su desarrollo. La disminución de emisiones de CO 2 de los biocombustibles frente a los derivados del petróleo depende de la forma en que se cultivan y procesan las materias primas de los que se derivan y de la distancia entre el lugar de producción y consumo. Sin embargo, en conjunto, los biocombustibles serán una herramienta útil para luchar contra el cambio climático en los próximos años. Por otra parte, los cultivos energéticos que originan los biocombustibles pueden suponer un impulso a la agricultura tanto en Europa como en los países en desarrollo con buenas condiciones agrícolas y climáticas para su producción. Los intercambios entre países exportadores de biodiésel, principalmente países del Sur, e importadores, principalmente países del Norte, puede ayudar a algunos países a insertarse en la economía internacional y equilibrar su balanza de pagos. Sin embargo, también existen importantes riesgos que es perentorio vigilar atentamente para establecer los mecanismos de control o correctivos necesarios. En primer lugar, existe el riesgo de que el incremento de la demanda de materias primas impulsada por la Unión Europea y Estados Unidos sea mayor que el de la oferta, lo que en un sistema internacional de mercado libre originaría un incremento de los precios. En los últimos años se han apreciado incrementos en el precio de granos básicos para la alimentación humana, como por ejemplo el maíz, que ponen en peligro la alimentación de millones de personas con bajos ingresos que basan su dieta en estos granos. En este sentido, se debería anteponer el derecho humano a la alimentación frente al del cumplimiento de las directivas europeas que no contemplaron estas circunstancias. Otro riesgo significativo es la extensión de esquemas agroindustriales que no sean respetuosos con el medio ambiente ni con las poblaciones rurales donde se desarrollan. Cada vez se conocen más casos documentados de grandes productores que al competir por las mejores tierras y el agua para los cultivos, están empeorando las condiciones de vida de los pequeños productores y las poblaciones campesinas. Si se sigue este patrón se puede originar más pobreza en lugar de ayudar a aliviarla. Todas las personas e instituciones que trabajamos por un desarrollo sostenible de los países del Norte y del Sur y la erradicación de la pobreza debemos contribuir a que se maximicen los beneficios de los biocombustibles y se minimicen los daños. Para eso es necesario ser activos en varias líneas de trabajo. Los gestores de las políticas públicas, las empresas y la sociedad en general deben disponer de información sobre los efectos que provocará el uso masivo de biocombustibles. La información pública sobre este asunto debe abarcar todas sus dimensiones y ser rigurosa. El debate sobre los biocombustibles se debe abordar desde una lógica global. No podemos diseñar políticas en los países del Norte desconociendo u obviando sus impactos en los países del Sur, y especialmente en sus zonas rurales y entre sus poblaciones más pobres. En este sentido, es imprescindible que las políticas sobre biocombustibles entren en el ámbito de Cooperación Norte-Sur y se establezcan canales de concertación entre los distintos países. Dentro de la lógica de Responsabilidad Social, tanto las empresas como las administraciones tienen que avanzar en el establecimiento de unos criterios mínimos de respeto ambiental y social exigibles, que puedan ser auditables, y que sean exigibles a las empresas que participen en la cadena de producción y distribución de los biocombustibles. Desde Ingeniería Sin Fronteras y el Grupo de Organización, Calidad y Medio Ambiente de la Universidad Politécnica de Madrid, se ha pretendido hacer una modesta contribución a través de estas líneas. Este informe, que dedicamos principalmente a los aspectos relativos a la producción de biocombustibles, complementa el trabajo realizado en el Taller Internacional sobre Biodiésel y Cooperación para el Desarrollo que se organizó en Madrid los días 6 y 7 de marzo de 2006, y la publicación de sus memorias en diciembre del mismo año (ISBN: 978-84-690-3479-8). Es nuestra voluntad continuar en el futuro con la investigación y difusión de otros aspectos agronómicos y sociales relacionados con los biocombustibles que no han tenido cabida en esta publicación. (1) El valor de referencia para estos objetivos se fija en el 5,75 %,calculado sobre la base del contenido energético, de toda la gasolina y todo el gasóleo comercializados en sus mercados con fines de transporte a más tardar el 31 de diciembre de 2010.
4 1. Introducción Los biocombustibles son sustancias procedentes de materias orgánicas renovables que pueden ser empleadas como combustibles. Estos pueden ser sólidos (biomasa), gaseosos (biogás, gas de gasificador) o líquidos, también llamados biocarburantes cuando se utilizan en motores de combustión no estacionarios (biogasolinas, biogasóleos). Existe una gran variedad de biocombustibles; en la legislación de la UE se reconocen hasta diez tipos, donde se encuentran entre otros el biohidrógeno o los biocarburantes sintéticos. Sin embargo, los biocombustibles que mayor crecimiento han experimentado son los biocarburantes, donde destacan el bioetanol y el biodiésel como alternativas a la gasolina y al gasóleo respectivamente. Los procesos productivos de los biocarburantes más importantes se resumen en la Figura 1. Los principales sustitutos de la gasolina en motores de combustión interna son el bioetanol y el biometanol, habiendo experimentado a escala internacional un desarrollo mucho más importante el bioetanol. 1.1. TIPOS DE ACEITES En un principio las alternativas concebidas para motores diesel se centraron en la utilización de aceites vegetales, tal y como lo diseñara para su patente Rudolf Diesel en 1892. Desgraciadamente, el uso directo de aceites vegetales en motores de combustión interna entraña diversas dificultades, principalmente relacionadas con la viscosidad. Se desarrollaron los motores específicos Elsbett capaces de consumir este combustible, aunque su éxito comercial ha permanecido muy limitado. En general, se suele hablar de tres calidades distintas en aceites de origen vegetal: a) Bruto: El aceite bruto es el que se obtiene en primer lugar, generalmente a través del prensado o mediante utilización de disolventes. b) Refinado: Se trata del aceite que ha sufrido unos tratamientos de limpieza, decoloración y corrección del ph. c) Esterificado: Es el resultado de la reacción química entre el aceite y un alcohol, en general etanol o metanol. 1.2. TIPOS DE PROCESOS: TRANSESTERIFICACIÓN El proceso químico que mejores resultados ha demostrado para acercar las propiedades del aceite vegetal a las del combustible fósil ha sido la transesterificación. El proceso de transesterificación consiste en la reacción entre un trigli- Figura 1 MADERA PAJA DE CEREALES Y OLEAGINOSAS CEREALES PATATAS Gasificación de celulosa y lignina Hidrólisis y fermentación del almidón Reacción con isobuteno METANOL Reacción con isopenteno MTBE TAME 15% máx. en gasolina 15% máx. en gasolina 85% máx. en gasolina MOTORES OTTO SIN MODIFICACIONES CAÑA DE AZÚCAR REMOLACHA Fermentación de azúcar ETANOL Reacción con isobuteno ETBE 20% máx. en gasolina 20% máx. en gasolina MOTORES OTTO SIN MODIFICACIONES SEMILLAS Y FRUTOS OLEAGINOSOS Extracción ACEITES VEGETALES Utilización directa Cualquier % en gasóleo MOTORES DIESEL DE INYECCIÓN INDIRECTA O MODIFICADOS ANIMALES Extracción Transesterificación con metanol/etanol GRASAS ANIMALES ÉSTERES METÍLICOS O ETÍLICOS Utilización directa Cualquier % en gasóleo CALEFACCIONES MOTORES DIESEL SIN MODIFICACIONES Origen, proceso productivo y aplicaciones de los principales biocarburantes [1].
5 cérido contenido en el aceite o grasa animal y un alcohol ligero, obteniéndose como productos glicerina y esteres derivados del ácido graso de partida. En general se suele utilizar metanol como alcohol de sustitución, en cuyo caso el biodiésel estará compuesto por esteres metílicos. Figura 2 CH 2 CH OCOR 1 OCOR 2 CH 2 OCOR 3 Triglicérido + 3 CH 3 OH Metanol 3 R 1 OCO CH 3 + Ester metílico Esquema de la reacción de transesterificación con metanol. CH 2 OH CH OH CH 2 OH Glicerina Es decir, a través del proceso de transesterificación de los aceites vegetales con metanol, se obtienen ésteres metílicos derivados, cuyo comportamiento es similar al del gasóleo, principalmente en lo referente a la viscosidad, temperatura de ebullición, residuo carbonoso, número de cetano, etc. Tabla 1 1.3. DEFINICIÓN DE BIODIÉSEL Y SUS APLICACIONES A pesar de que el proceso de obtención del biodiésel está claramente identificado, su definición como compuesto químico permanece difusa. Al contrario que para otros biocombustibles como el bioetanol, no es posible definir el biodiésel a través de su naturaleza química. Esto se debe a que la materia prima utilizada para el proceso de transesterificación es muy variada. Por lo tanto el resultado del proceso químico es una multiplicidad de ésteres de ácidos grasos distintos, en proporciones muy variables. La dificultad para definir satisfactoriamente la naturaleza química del biodiésel es tal que la American Standards for Testing and Materials define dicho biocarburante según su proceso de obtención y su posterior utilización: Ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se emplea en los motores de ignición de compresión (motores diesel) o en calderas de calefacción. Por ello, no hay más remedio que acudir a una especificación técnica, la EN-14214 (Tabla 1), que defina no la naturaleza química del biodiésel sino su comportamiento como éster y como combustible. PROPIEDAD UNIDAD ESPECIFICACIONES MÉTODO PROPIEDADES COMO COMBUSTIBLE Densidad a 15ºC g/cm 3 0,86-0,90 EN ISO3675 / EN ISO12185 Viscosidad Cinemática 40ºC mm 2 /s 3,5-5,0 EN ISO 3104 Punto de Inflamación ºC >101 ISO/CD 3679 Punto de Obstrucción del Filtro Frío (POFF) ºC verano máx. 0 ºC invierno máx. <-15 DIN EN 116 Azufre mg/kg máx. 10 Residuo Carbonoso Conradson (10% residuo destilación) % p/p máx. 0,30 EN ISO 10370 Índice de Cetano mín. 51 EN ISO 5165 Contenido en Cenizas % p/p máx. 0,02 ISO 3987 Contenido en Agua mg/kg máx. 500 EN ISO 12937 Partículas Sólidas g/m 3 máx. 20 DIN 51419 Corrosión al Cobre (3h/50ºC) máx. 1 EN ISO 2160 Estabilidad a la Oxidación (110ºC) horas 6 pr EN 14112 PROPIEDADES COMO ÉSTER Índice de Acidez mg KOH/g máx. 0,5 pr EN14104 Contenido en Metanol %p/p máx. 0,2 pr EN 14110 Contenido en Monoglicéridos %p/p máx. 0,8 pr EN 14105 Contenido en Diglicéridos %p/p máx. 0,2 pr EN 14105 Contenido en Triglicéridos %p/p máx. 0,2 pr EN 14105 Glicerina ligada %p/p máx. 0,2 CÁLCULO Glicerina libre %p/p máx. 0,02 pr EN 14105 / pr EN 14106 Glicerina total %p/p máx. 0,25 pr EN 14105 Índice de yodo máx. 120 pr EN 14111 Metales Alcalinos (Na + K) mg/kg máx. 5 pr EN 14108 / pr EN 14109 Fósforo mg/kg máx. 10 pr EN 14107 Especificaciones técnicas del biodiésel (Unión Europea, EN14214) [1].
6 2. Materia prima para la obtención de biodiésel En este apartado se presentan los cultivos más extendidos para la producción de aceites susceptibles de ser transformados en biodiésel. En 2007 la Organización de Naciones Unidas (ONU) ha publicado el documento: Sustainable Bioenergy: A Framework for Decision Makers [2], en el que se muestran una serie de pautas que se deberían tener en cuenta a la hora tanto de abordar un proyecto agropecuario enfocado a la producción de materias primas para la producción de biodiésel, como para proyectos de tipo industrial. Es muy importante analizar al menos todas aquellas directrices que vayan dirigidas a la sostenibilidad de las acciones que se realicen y, en concreto, a las relacionadas con la agricultura, de manera que éstas sean: ecológicamente seguras, económicamente viables, socialmente justas y culturalmente apropiadas, según un método científico holístico, para cualquier tipo de productor que se pueda considerar. Dado el enfoque tecnológico de este documento, no se entra a considerar el impacto que se puede dar por la extensión sin límites a la que se tiende de los cultivos para producción de biodiésel en temas como el uso del suelo, la pérdida de biodiversidad, el uso de agua, el almacenamiento de semillas y la protección de variedades autóctonas, la Soberanía/Seguridad Alimentaria, etc. aunque sí se mencionan en los análisis DAFO del apartado 7. Como se podrá comprobar, estos cultivos son en general esquilmantes, es decir, necesitan un gran aporte de insumos para conseguir unas producciones económicamente rentables, ya que su capacidad de extracción de la tierra es muy alta. Incluso, cultivos como la Jatropha, que se dan de manera silvestre, requerirían un alto grado de insumos para su producción a gran escala. Por ello es absolutamente imprescindible que las personas que se enfrenten a la implementación de proyectos relacionados con los biocombustibles tengan en cuenta todos estos aspectos. Es fácilmente comprensible que, en las condiciones de demanda energética actuales, la mencionada extensión sin limitaciones de los cultivos para la producción de biocombustible será también perniciosa para los más variados ecosistemas y poblaciones que los habitan. Por ello, tanto desde el ámbito privado como público, se ha de velar para minimizar el impacto negativo en relación a los temas mencionados en este párrafo.
7 En este informe técnico no se profundiza en los aspectos botánicos y de manejo de los cultivos, sino que simplemente se presenta una breve reseña de los datos más importantes que pueden estar en relación con la potencialidad de ciertos cultivos como materia prima para la producción de biodiésel. Con este fin se ha elaborado la Tabla 2. La producción de biodiésel se realiza principalmente a partir de aceites vegetales (aunque también puede producirse a partir de grasas animales). El tipo de cultivo adecuado que se decida adoptar para utilizar su aceite en la producción de biodiésel dependerá del estudio de factores diversos, tales como: Los factores medioambientales: Pluviometría y temperatura de la zona de cultivo. Calidad de la tierra. Horas de luz y tipo de conducción del cultivo. La productividad del cultivo en el área donde se vaya a implantar, entendida como rendimiento en aceite y medido en l/ha (o kg/ha de la parte cosechable con un contenido conocido de aceite, según la especie). Los costes asociados al cultivo y al manejo hasta la planta procesadora. La calidad del aceite a extraer de cada cultivo. El valor agregado, la calidad y la cantidad de subproductos de la producción del aceite. La sostenibilidad del cultivo: aceptación del cultivo por parte de los agricultores, disponibilidad de medios y recursos, etc. En general, los mayores productores de materias primas susceptibles de convertirse en biodiésel son Brasil, China y EEUU, aunque también destacan algunos del sudeste asiático, donde la producción de aceite de palma es muy alta. Regionalmente podemos distinguir, entre las más consumidoras de energía, tres grandes regiones con sus producciones históricamente asociadas: en Estados Unidos se utiliza el aceite de soja, en Europa la colza y en los países tropicales la palma. La producción mundial de aceite proviene fundamentalmente de la palma africana y de la soja, siendo su producción tres o más veces mayor que la de otras materias primas como la colza, el algodón, el maní, el girasol, el maíz y otros [3]. Las muy variadas condiciones productivas en estas regiones hacen que la sostenibilidad de estos cultivos y su integración en el sistema agrario e industrial se consiga (o no) por vías y en grados diferentes. Tabla 2 Especie/ Clima de Mayores Extracción Proporción nombre común cultivo productores del aceite de aceite Tipos de Kg materia Producción aceites prima/kg mundial predominantes aceite (1000 t) Brassica napus Templado China, Semilla 36 % Erúcico 2,77 14.141.936 (colza) Alemania, India (aceite) Helianthus annuus Templado Rusia, Semilla 44 % Oleico 2,27 10.195.091 (Girasol) Argentina, Ucrania y linoleico (aceite) Cynara cardunculus Templado Países Semilla 25 % Palmítico 4 Sin datos (Cardo) mediterráneos Glycine max Templado EUA, Brasil, Semilla 20 22 % Linoleico, 5 4,5 33.297.013 (Soja) China, Argentina oleico (aceite) Elaeis guineensis Tropical Malasia, Fruto 43 51 % Palmítico, 2,3 1,9 34.311.446 (Palma Africana) Indonesia y semilla oleico (aceite) Ricinus communis Tropical Indonesia, Semilla 40-50 % Ricinoléico 2,5-2 1.383.353 (Ricino) China, Brasil (semilla) Jatropha curcas Tropical India Semilla 25 30 % Oleico, 4 3,3 Sin datos (Jatropha o tempate) linoleico Resumen de las principales características de los cultivos más importantes utilizados para la obtención de biodiésel [3].
8 3. Viabilidad industrial 3.1. TECNOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE ACEITE A continuación se detallan las técnicas utilizadas actualmente para la obtención del biodiésel. Se discutirán las dos etapas principales que permiten producir biodiésel a partir de la materia prima original: la conversión de la materia prima en aceite y su posterior transformación química en ésteres. Tal y como se ha comentado, la transesterificación es el proceso que mejores resultados ha proporcionado para la fabricación de biodiésel. Los reactivos para esta reacción química son triglicéridos y un alcohol monovalente como el metanol o el etanol. Por lo tanto, la materia prima para el biodiésel será aquella que proporcione ácidos grasos (un triglicérido está compuesto por tres moléculas de ácidos grasos y una de glicerol) a la reacción de transesterificación. La materia prima de partida que permite la fabricación del biodiésel está generalmente dividida en tres categorías en función de su procedencia. A pesar de que hoy en día prácticamente la totalidad del biodiésel producido se fabrica a partir de aceites vegetales, también se puede elaborar biodiésel partiendo de aceites usados o incluso grasas animales. Se denominan aceites vegetales aquellos que se producen a través de cultivos agrícolas, principalmente de oleaginosas. Se identifica una gran variedad de materias primas: Aceites vegetales: Aceites vegetales convencionales: girasol, colza, soja, coco, palma. Aceites vegetales alternativos: Jatropha Curcas, Brassica carinata. Aceites vegetales de final de campaña: Aceite de oliva de alta acidez. Aceites de semillas modificados genéticamente: Aceite de girasol de alto oleico. Aceites de fritura usados. Grasas animales: sebo de distintas calidades. Cada tipo de materia prima tiene asociados ventajas e inconvenientes que conviene tener presentes antes de su elección como suministro para la fábrica de biodiésel. Los aceites vegetales convencionales presentan en su conjunto un mismo inconveniente: la competencia con otros grandes sectores. El principal sector damnificado con la entrada en escena de los biocarburantes como alternativa al petróleo es el sector alimentario. En efecto, la competencia por la materia prima tiende a encarecer el producto: en los últimos cinco años el precio del aceite de colza se ha duplicado. Por ello desde distintas industrias se han emitido comunicados indicando la preocupante situación, resaltando, por ejemplo, que el objetivo de los biocombustibles y la demanda del alimento no se pueden satisfacer a la vez (Inneke Herreman, Secretaria General de IMACE, Asociación Europea de la Industria de la Margarina). Además, los aceites vegetales también han de competir con otros usos industriales no alimenticios como la fabricación de jabones, detergentes, ácidos grasos, pinturas, barnices, resinas, plásticos y lubricantes. Debido a los problemas de abastecimiento relacionados con los aceites vegetales convencionales se está investigando en otras direcciones. Los aceites vegetales alternativos y los aceites modificados genéticamente proponen soluciones diferentes al mismo problema. Los aceites de semillas modificados genéticamente ofrecen mejoras en la producción y rendimiento de los cultivos para aceites vegetales convencionales. A pesar de que estos productos alterados genéticamente no serían consumidos directamente por el ser humano, quedaría por comprobar el grado de aceptación social, especialmente en Europa, dado que algunos subproductos podrían ser consumidos por el ganado. Otra solución al mismo problema consiste en desarrollar y domesticar nuevas especies de oleaginosas. Es el caso de la Jatropha Curcas, cultivo que ofrece rendimientos muy superiores comparados con otros cultivos de aceites convencionales como el girasol o la soja, además de permitir la recuperación de territorios semidesérticos. Sin embargo se requieren aún estudios y proyectos piloto para confirmar la viabilidad agronómica de estos cultivos para la producción industrial de biodiésel. Otra alternativa, más destacada por las ventajas medioambientales asociadas que por su viabilidad industrial, consiste en la utilización de aceites de fritura usados como materia prima para la fabricación del biodiésel. Son varios los pro-
9 Figura 3 CULTIVO DE OLEAGINOSA EXTRACCIÓN DE ACEITE ACEITE BRUTO REFINO DEL ACEITE ACEITE REFINADO Prensado Disolvente Desgomado Filtración Neutralización Secado Esquema del proceso productivo del aceite refinado. blemas que se han de resolver antes de poder utilizar estos aceites en plantas de producción de biodiésel. El mayor inconveniente reside en la recogida en los diferentes establecimientos del aceite usado. Una de la experiencias piloto más alentadora se desarrolla en la ciudad de Valencia, donde un proyecto conjunto entre la EMT y varios organismos gubernamentales y privados ha duplicado los objetivos esperados en recogida de aceite (800 toneladas recogidas) para su utilización en 100 autobuses públicos. A pesar del éxito del proyecto, cabe destacar el importante esfuerzo organizativo necesario para cumplir los objetivos: el gran problema para la utilización de esta materia prima en plantas industriales de producción de biodiésel resulta de la escasa recogida media por establecimiento, que generalmente no supera los 150 litros mensuales. Finalmente, tanto el uso de aceites usados como de grasas animales precisan de un pretratamiento anterior a su entrada en el reactor de transesterificación. Este proceso es necesario para obtener un nivel de homogeneidad que asegure una calidad determinada del biodiésel resultante. Debido a estos problemas relacionados con la recogida de la materia prima y su homogeneidad, el aceite de fritura y el sebo animal son materias primas poco comunes en la producción industrial de biodiésel. Si la producción industrial de biodiésel procede de cultivos oleaginosos, entonces destacan generalmente dos tipos diferentes de tecnologías para la obtención del aceite vegetal. Una vez seleccionado el cultivo agrícola, la extracción de aceite de los granos y vainas puede realizarse por un proceso de extracción mecánica, por extracción con disolvente, o de forma mixta: extracción mecánica seguida de una extracción por disolvente. En cualquier caso, los productos obtenidos a raíz de la extracción son el aceite vegetal bruto y la torta, concentrado del contenido proteico del cultivo, que se suele comercializar como pienso para alimentación animal. La elección de la tecnología aplicada para la extracción dependerá del contenido en aceite en la oleaginosa, de la capacidad requerida de extracción y del valor y aplicación de la torta resultante. Normalmente cuanto mayor sea la capacidad deseada de la planta, cuanto menor sea el contenido en aceite y cuanto mayor sea el valor de la torta, mayor deberá ser la viabilidad de extracción por disolvente. Para la fabricación de biodiésel por transesterificación es necesario que el aceite utilizado presente unas características determinadas para que el biocarburante final cumpla las especificaciones deseadas. Así, el aceite bruto es tratado generalmente mediante unos procesos de desgomado, filtración, neutralización y secado, cuyos procedimientos dependen de la naturaleza del aceite bruto. De esta manera se obtiene un aceite refinado que no contiene sólidos en suspensión, posee el mínimo de acidez (<1%) y el mínimo de humedad (<0.5%), apto para su transesterificación en biodiésel. 3.2. TECNOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE ÉSTER Una vez obtenido el aceite refinado, se efectúa una reacción química para que el producto resultante reproduzca lo mejor posible las características del gasóleo en motores de combustión interna. El proceso que mejores resultados ha obtenido es la transesterificación, donde la mezcla de trigli-
10 3. Viabilidad industrial céridos de aceites vegetales o grasas animales con alcoholes monovalentes proporciona esteres y glicerina. Los triglicéridos son un tipo de lípidos formados por una molécula de glicerol que tiene esterificados sus tres grupos hidroxilo por tres ácidos grasos saturados o insaturados. La reacción de transesterificación consiste en el intercambio del grupo alcoxi del triglicérido por el grupo hidroxilo del alcohol. Por lo tanto se trata de una reacción química en tres etapas, cada una produciendo una molécula de ester. Figura 4 Triglicérido + Alcohol > Ester + Diglicérido Diglicérido + Alcohol > Ester + Monoglicérido Monoglicérido + Alcohol > Ester + Glicerina Triglicérido + 3 Alcohol > 3 Ester + Glicerina Etapas de reacción en la transesterificación. Estas reacciones son frecuentemente catalizadas mediante la adición de un ácido o una base. Sin embargo, en la práctica se ha comprobado que es necesario adicionar alcohol en exceso para obtener un alto rendimiento del proceso, logrando así desplazar, casi totalmente, la reacción hacia la formación del éster. De esta forma se minimiza también la presencia de tri, di y mono-glicéridos al final del proceso, requisito importante puesto que constituyen un contaminante para el biodiésel final. La estequiometría de la reacción indica que el rendimiento másico es aproximadamente igual a uno, por lo que se obtiene la misma cantidad de biodiésel que de aceite vegetal inicial. Además, la estequiometría entre el alcohol y la glicerina es idéntica, requiriéndose en principio, una cantidad de alcohol igual al 10% del aceite. Figura 5 Triglicérido + 3 Alcohol > 3 Ester + Glicerina - Aceites - Metanol - Grasas - Etanol 100 kg 10 kg 100 kg 10 kg Balance de masa en la reacción de transesterificación. La tecnología necesaria para la producción de biodiésel a partir de aceites vegetales refinados consta principalmente de dos etapas. La primera es la reacción de transesterificación y la segunda es la separación y purificación de los ésteres obtenidos, que constituyen el biodiésel. A continuación se detalla el proceso productivo del biodiésel suponiendo que se realiza la reacción de transesterificación con metanol mediante una catálisis básica, que generalmente es el proceso más empleado. Posteriormente se analizarán las ventajas e inconvenientes respecto de la catálisis ácida o la catálisis heterogénea. La reacción de transesterificación se efectúa entre los triglicéridos del aceite y un exceso de metanol en presencia de un catalizador básico (generalmente hidróxido potásico KOH), a una temperatura que suele variar entre 40ºC y 110ºC. Durante la reacción de transesterificación se presentan reacciones secundarias que dan lugar a productos indeseables que contaminan los ésteres. Durante esta etapa del proceso se produce un nuevo compuesto, jabón, obtenido mediante dos reacciones secundarias diferentes. El jabón se produce a través de la reacción de saponificación de los triglicéridos, reacción que compite con la transesterificación. Además, debido a la presencia de ácidos grasos libres en el aceite refinado, se puede dar la reacción de neutralización, obteniendo así jabón y agua. Figura 6 REACCIÓN DE SAPONIFICACIÓN DE TRIGLICÉRIDOS Triglicérido + Catalizador básico > Jabón + Glicerina REACCIÓN DE NEUTRALIZACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS LIBRES Ácido graso libre + Catalizador básico > Jabón + Agua Principales reacciones secundarias en la reacción de transesterificación. La formación de jabones implica una disminución de la conversión y del rendimiento, la necesidad de etapas posteriores de purificación de los ésteres y el aumento de la posibilidad de que se presenten emulsiones en las etapas de purificación. La segunda etapa fundamental en el proceso de fabricación de biodiésel es la separación de las fases ester y glicerina y la posterior purificación de los esteres producidos. Al término de la reacción de transesterificación son varios los subproductos que se encuentran en el reactor que habrá que separar de los esteres metílicos o biodiésel. Además de los compuestos del aceite que no han llegado a reaccionar (tri, di, monoglicéridos y ácidos grasos libres), se encuentra en el medio el metanol que se adicionó en exceso, los restos del catalizador básico, la glicerina, y los productos de las reacciones secundarias (jabón y agua) (Figura 7).
11 Figura 7 Aceite refinado Catalizador básico Metanol REACCIÓN DE TRANSESTERIFICACIÓN FASE ESTER Ester metílico Tri, di, monoglicérido Ácidos grasos libres Metanol Glicerina Jabón Catalizador Agua FASE GLICERINA Esquema de la reacción de transesterificación. Reactivos y productos. La etapa de separación, llevada a cabo tras la reacción química, consiste en diferenciar la fase ester del resto de subproductos que se encuentran en el medio, especialmente de la glicerina y el jabón. De la fase ester se obtendrá el biodiésel, mientras que la fase glicerina proporcionará diferentes subproductos del proceso, principalmente la glicerina. Para la obtención del biodiésel se precisa un último proceso de purificación de los esteres, que conlleva la eliminación del exceso de alcohol introducido para aumentar el rendimiento así como el lavado de los ácidos grasos libres y de los mono, di y triglicéridos que no han esterificado. Generalmente para este proceso se adiciona agua y ácidos minerales, quedando a continuación el ester producido disponible para su utilización como biodiésel. Adicionalmente, y en función de los niveles de impurezas que finalmente presenta el biodiésel (tri, di y monoglicéridos, ácidos grasos libres y agua), se puede someter el producto a una destilación. El agua de lavado que se recupera al término de esta operación contiene principalmente metanol y restos de biodiésel. 3.3. TECNOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE GLICERINA Una vez seleccionado el tipo de catalizador -los más comunes son los heterogéneos y los homogéneos básicos o ácidosel proceso productivo de biodiésel viene caracterizado en fun- Figura 8 FASE ESTER Ester metílico Tri, di, monoglicérido Ácidos grasos libres FASE ESTER Agua Sales minerales PURIFICACIÓN BIODIÉSEL Ester metílico Impurezas Metanol Glicerina Jabón Catalizador Agua SEPARACIÓN FASE GLICERINA Agua de lavado FASE GLICERINA Esquema de los procesos de separación y purificación del biodiésel.
12 3. Viabilidad industrial Figura 9 FASE ESTER Disolución de H 3 PO 4 Ácidos grasos SEPARACIÓN Fosfatos FASE GLICERINA Glicerina Jabón Catalizador Agua Metanol ACONDICIONAMIENTO Glicerina PURIFICACIÓN RECUPERACIÓN Glicerina más concentrada Esquema del proceso de acondicionamiento de la fase glicerina. ción de los procesos de purificación y de acondicionamiento de los subproductos. La operación de separación proporciona una segunda fase, denominada fase glicerina debido a su alto contenido, que requiere ciertos tratamientos para la obtención de los subproductos del proceso: la glicerina y los fosfatos. El tratamiento de acondicionamiento suele consistir en la adición de una solución de ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) que reacciona tanto con el catalizador básico (KOH) como con los jabones potásicos aparecidos en la transesterificación debido a las reacciones secundarias. Los productos de estas reacciones son fosfatos potásicos (también denominados sales), ácidos grasos libres y glicerina. La glicerina obtenida en este punto del proceso presenta un color marrón debido a que se encuentra diluida en agua y metanol, además de las sales y los ácidos grasos. Para la comercialización de la glicerina será imprescindible concentrarla; por ello, una vez se han separado las sales y ácidos grasos, se somete a una destilación a vacío para eliminar el agua y metanol, obteniéndose glicerina natural que contiene entre el 80% y el 88% de glicerol. Sin embargo, se puede realizar posteriormente un proceso de purificación para aumentar la concentración de la glicerina y comercializarla como glicerina purificada (las especificaciones exigen generalmente una concentración superior al 88%-91% de glicerol). Generalmente este proceso consiste en una destilación seguida de un tratamiento a través de carbón activado y filtración. En función de la utilización final de la glicerina, se emplean también resinas de intercambio iónico (catiónicas y aniónicas). La calidad de la glicerina que se obtiene como coproducto en la fabricación de biodiésel depende de varios factores, pero principalmente del proceso tecnológico, del tipo de aceite y del tratamiento posterior para concentrarla y refinarla en función de los usos a los que vaya a ir destinada. Dependiendo de la tecnología utilizada y de la voluntad del promotor se puede obtener una concentración mayor o menor del producto, que suele oscilar desde un 87% hasta un 99,5%. La fase de acondicionamiento permite por lo tanto separar como subproductos las sales y los ácidos grasos libres, recuperar el metanol adicionado en exceso en la reacción de transesterificación y concentrar la glicerina en los niveles requeridos para su comercialización. 3.4. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN En este apartado se plantean los distintos factores que influyen en el proceso de fabricación del biodiésel. Destacan fundamentalmente dos aspectos: el tipo de catalizador y el tipo de proceso (batch, semicontinuo o continuo). También se indicarán las principales características en cada caso. La reacción de transesterificación es endotérmica, por lo que a mayores temperaturas corresponden velocidades mayores de formación de producto. Sin embargo, la temperatura y la presión óptimas dependen del catalizador empleado. La reacción catalizada por compuestos alcalinos es la que requiere unas condiciones de presión y temperatura menos exigentes; por ello, suele ser el tipo de catálisis más
13 Tabla 3 CATÁLISIS HOMOGÉNEA CATÁLISIS HETEROGÉNEA Rendimiento máximo del 99,5% + Rendimiento superior al 100% Calidad de la glicerina + Calidad de la glicerina Etapas de separación y purificación complejas + Etapas de separación y purificación simples Producción de sales y fases acuosas + Sin producción de otras fases Consumo de productos químicos + Sin consumo de productos químicos + Condiciones de P y T moderadas Condiciones de P y T severas + Relación alcohol/aceite baja Relación alcohol/aceite alta Comparación entre la catálisis homogénea y heterogénea [4]. empleado. A medida que se emplean catálisis ácidas y heterogéneas las condiciones de presión y temperatura son cada vez más severas. La transesterificación con catalizador alcalino, tal como hidróxido de sodio o de potasio, ofrece por lo tanto la ventaja de trabajar en condiciones suaves y temperaturas bajas (aproximadamente la temperatura de ebullición del alcohol). Sin embargo, como los ácidos grasos libres contenidos en el aceite inicial no son esterificados en este proceso, deben ser extraídos antes de la transesterificación, esterificar en una etapa de reacción adicional o bien se debe separar la fracción no esterificable con la fase glicerina. Los catalizadores ácidos, tales como los ácidos minerales, pueden catalizar tanto la transesterificación como la posterior esterificación de los ácidos grasos libres, pero las condiciones de reacción son más exigentes en cuanto a los reactantes. A raíz de los inconvenientes planteados por la catálisis homogénea, se están desarrollando otras alternativas, como la catálisis enzimática mediante lipasas o la catálisis heterogénea (resinas de intercambio aniónico o catiónico, catalizadores de titanio o circonio, óxidos metálicos etc.). A pesar de que estos catalizadores requieren unas condiciones de presión y temperatura más severas, ofrecen otras ventajas, fundamentalmente: el rendimiento másico del proceso es mayor que uno y la calidad de la glicerina es superior. La comparación entre la catálisis homogénea y heterogénea se resume en la Tabla 3. En la actualidad, la tecnología más extendida en plantas de producción de biodiésel industriales es la reacción catalítica en un medio básico. Este proceso permite reducir los costes del proceso debido a que: Las condiciones operativas de presión y temperatura son moderadas. Se tienen altos rendimientos de conversión (hasta el 99.5%) con tiempos de residencia relativamente cortos. La baja agresividad química de los reactivos permite el empleo de materiales de construcción convencionales. Por último, el tipo de proceso productivo es otro factor que influye en los rendimientos generales de la planta de biocombustible. Se distinguen tres tipos de procesos: proceso continuo, semicontinuo y batch (por lotes). Evidentemente, para pequeñas producciones el proceso por lotes es el más indicado. Por el contrario, para grandes producciones se suele diseñar una producción en continuo, que acarrea mayores dificultades técnicas de operación y puesta en marcha. Otro factor determinante, además del tamaño de la producción, es la disponibilidad y calidad de la materia prima, de tal manera que la operación continua es más conveniente para alimentaciones de materia prima con una determinada calidad asegurada. 3.5. PRINCIPALES EMPRESAS CON TECNOLOGÍA DE BIODIÉSEL Y ESQUEMA GENERAL DE UNA PLANTA Tal y como se ha expuesto, existen diversos factores que inciden en el rendimiento y en las características de una planta de producción de biodiésel. Además del tipo de catálisis y los parámetros de reacción, otros procesos del ciclo de producción, como la purificación del biodiésel o el acondicionamiento de los subproductos, caracterizan la viabilidad de la fábrica. A continuación se listan en la Tabla 4 las principales tecnologías disponibles actualmente en el mercado. Entre todas las tecnologías disponibles destaca principalmente la transesterificación de aceites vegetales en medios básicos.
14 3. Viabilidad industrial Tabla 4 Empresa Condiciones de reacción P (atm) T (ºC) Catalizador Operación Lurgi 1 60-70 Básico Continuo Desmet 50 200 Metilato sódico Continuo Energea 1 60 KOH Continuo BDI 1 30-60 Básico Batch IFP axens 1 50-130 Básico/Ácido Batch Conneman/Field and Hahn 1 60-70 NaOH Continuo Westfalia Baja Baja Básico Continuo Biofuels S. A. 1,5 90 NaOH Batch Comprimo/Vogel and Noot 1 Ambiente KOH Batch Novamont/Technimont 1 >Ambiente Orgánico Batch Total Fina 40 220 TiO2 soportado Batch Continuo Biox 1 Ambiente Básico Continuo Gratech 3,5 95 Continuo Ekoil Biodiesel Production Reducida - KOH Continuo Principales tecnologías de transesterificación de aceites vegetales [5]. Adicionalmente, cabe destacar la tecnología para transesterificación de aceites vegetales desarrollada por las siguientes empresas: Crown Iron Works, Biofuel Systems, Biodiesel Technologies, Nopec Corporation, Pacific Biodiesel, Superior Process Technologies, Procter & Gamble, ME KFT, AT Agrar, Oceanair Environment. Finalmente, a modo de resumen, se esquematiza en la Figura 10 el proceso completo de una planta de producción de biodiésel con la tecnología más empleada hasta la fecha: la transesterificación con metanol de aceites vegetales mediante catalizador básico. Figura 10 FASE ESTER FASE ESTER Aceite refinado Catalizador básico Metanol REACCIÓN DE TRANSESTERIFICACIÓN Ester metílico Tri, di, monoglicérido Ácidos grasos libres Metanol Glicerina Jabón Catalizador Agua SEPARACIÓN FASE GLICERINA FASE GLICERINA ACONDICIONAMIENTO RECUPERACIÓN Esquema completo de una planta de producción de biodiésel mediante transesterificación de aceites en medio básico.
15 3.6. PRINCIPALES APLICACIONES Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS PARA BIODIÉSEL El biocombustible actualmente producido en las plantas de biodiésel se puede emplear en diversos ámbitos. La aplicación con mayor proyección es la utilización del biodiésel en el sector transporte, sin embargo existen otros sectores, como la generación de electricidad, donde el biocombustible puede emplearse. Las aplicaciones más destacadas se listan a continuación: 1. Combustión en calderas. Se trata de una aplicación que no precisa de especificaciones especiales, en la que posiblemente pueda emplearse el aceite directamente sin esterificar. El problema reside en el coste relativo a otros combustibles, incluida la biomasa. 2. Aplicación a motores diesel estacionarios para generación de energía eléctrica o para moto-bombas en las propias zonas de cultivo. La ventaja consiste en que estos motores no necesitan combustibles tan sofisticados como los de automoción. 3. Aplicación a tractores agrícolas y otra maquinaria agrícola. Además de contar con la ventaja mencionada anteriormente, se reduce el coste del transporte si el biocarburante es producido en las cercanías del cultivo. 4. Aplicación a motores de barcos marinos o fluviales, con planteamientos similares. 5. Aplicación a vehículos diesel pesados (camiones y autobuses) y ligeros (pequeños camiones, microbuses, pickups o turismos). A esta aplicación corresponden generalmente las especificaciones del combustible más estrictas. Los vehículos antiguos, así como los diseñados para trabajo pesado, con motores menos sofisticados y evolucionados, donde las exigencias relativas a prestaciones y emisiones no son extremas, pueden emplear combustibles con unas especificaciones menos exigentes que las de los automóviles ligeros en Europa, EEUU o Japón. Así, un vehículo diesel de diseño antiguo, equipado con sistemas de control mecánico de inyección, no exige un carburante, y en particular un biodiésel, con especificaciones muy estrictas. Las especificaciones más estrictas corresponden al biocarburante de automoción para su uso en motores de combustión interna para el transporte en vehículos ligeros. La utilización de biodiésel en motores de combustión presenta una serie de ventajas e inconvenientes respecto al diesel convencional desde el punto de vista de automoción. Los principales aspectos se muestran en la Tabla 5. El biodiésel constituye una alternativa viable a los derivados del petróleo para la automoción dado que ninguno de los inconvenientes citados supone una barrera insalvable. Además, las contraindicaciones se pueden minimizar si el biodiésel se emplea mezclado con gasóleo, debiendo cumplir así el biodiésel dos especificaciones distintas. Agua Sales minerales PURIFICACIÓN Agua de lavado Ácidos grasos Fosfatos Glicerina BIODIÉSEL Ester metílico Impurezas PURIFICACIÓN El biodiésel, mezclado en proporciones inferiores al 5% con gasóleo debe cumplir la misma especificación que el diesel de automoción: la norma EN 590. De esta forma se con- Tabla 5 Ventajas Reducción de las emisiones contaminantes. El biodiésel posee mayor poder lubricante que el gasóleo, alargando así la vida del motor. Inconvenientes Pérdida de potencia. Residuos en inyectores y otros puntos. Ataque de los compuestos de caucho. Glicerina más concentrada Problemas de arranque en frío. Ventajas e inconvenientes de la utilización de biodiésel en motores de combustión interna.
16 3. Viabilidad industrial sidera al biocombustible como un aditivo, puesto que no altera las características técnicas del gasóleo mineral. En caso de mezclas superiores al 5% es obligatorio su etiquetado, para informar al consumidor de que se trata de un producto diferente del gasóleo derivado del petróleo. Destaca la ausencia a nivel europeo de especificación técnica para mezclas comprendidas entre el 5% y el 100%. Actualmente existen en España iniciativas para desarrollar estas normas que garanticen la calidad del biodiésel al consumidor para mezclas superiores al 5%. El biodiésel debe cumplir en cualquier caso la especificación EN14214, en la que se valora al biocarburante como ester. De esta manera se asegura la calidad del biodiésel producido, que depende fundamentalmente de tres puntos clave, evaluados por diferentes parámetros en la norma EN14214: 1. Control de la calidad del aceite. 2. Control del proceso de producción. 3. Análisis del producto: mejora con mezclas y aditivaciones. El origen y la calidad de las materias primas influyen determinantemente en la calidad final del biodiésel, hasta el punto que las propiedades del producto final pueden no llegar a corregirse con pre y post-procesos. En relación con la calidad del aceite los principales parámetros que deben controlarse son el índice de acidez y el nivel de humedad. En ambos casos resulta de vital importancia que la extracción de aceite de la semilla de la oleaginosa se produzca en el menor tiempo posible, impidiendo así que aumente el contenido en agua y el índice de acidez. El control del proceso de producción del biodiésel se realiza analizando fundamentalmente los siguientes parámetros de la norma EN14214: contenido en mono, di y tri-glicéridos, contenido en glicerina, contenido en metales y contenido en metanol. La presencia de glicerina se considera un contaminante para el biodiésel debido a que posee un menor poder calorífico, produce autoinflamación, con las altas temperaturas polimeriza creando polialcoholes, y también se puede craquear formando acroleína. La presencia de glicerina, incluso en pequeñas cantidades, contribuye a dificultar el filtrado en frío del biocombustible, de tal forma que, de no conseguirse ésteres metílicos de la adecuada pureza, pueden ocurrir problemas importantes en su paso por los elementos filtrantes del motor y, en general, de los sistemas de distribución y almacenaje. En relación con la presencia del metanol como contaminante de los metilésteres hay que indicar que ocasiona un incremento de la volatilidad, lo que a su vez se manifiesta como un aumento en la peligrosidad del manejo de los mismos. Finalmente, los principales indicadores de operabilidad de la norma son el Punto de Obstrucción de Filtros en Frío (POFF), la estabilidad a la oxidación y el índice de Iodo. Estos indicadores son susceptibles de modificarse una vez producido el metilester a través de aditivos, siendo los más importantes los antioxidantes y los depresores del POFF. Estos aditivos varían generalmente su comportamiento en función del tipo de biodiésel a aditivar fundamentalmente dependientes del tipo de aceite empleado- por lo que resulta importante la elección de la materia prima para no encarecer excesivamente el producto final con la aditivación.
17 4. Viabilidad económica En el presente capítulo se realiza, a modo de ejemplo, el análisis económico para una planta compacta de biodiésel con una capacidad de 24.000 t/año con el objetivo de mostrar los parámetros que afectan a la rentabilidad de un proyecto de biodiésel. Se efectuará un análisis de sensibilidad, en el que se pretende identificar y cuantificar el impacto de los principales factores a la viabilidad económica del proyecto. A continuación se realizará un estudio detallado de dichos factores críticos. En este caso, se examinará la evolución del mercado de las materias primas, de los subproductos y del precio del biodiésel. Para ello se desarrollará el análisis del mercado y un estudio de la evolución de los precios. Finalmente se indicarán las posibles alternativas y soluciones de futuro contempladas en la actualidad. en 9,3 ME, por lo que el coste total por tonelada de capacidad instalada es del orden de 390 E/t. La tecnología está basada en tres unidades modulares de 8.000 t/año de capacidad nominal cada una. Al tratarse de una planta de un tamaño relativamente pequeño la fase glicerina no se purifica a lo largo del proceso productivo. Por tanto, no se puede hablar de obtención de glicerina cruda ya que la fase glicérida Fase G- contiene glicerina, restos de biodiésel y reactivos. Por este motivo, las únicas aplicaciones posibles son su valorización energética como combustible o su mezcla con asfaltos. Tabla 6 ESTRUCTURA DEL COSTE 4.1. ANÁLISIS ECONÓMICO DE PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL Las plantas de producción de biodiésel presentan capacidades dispares en un amplio rango, partiendo desde 1.000 t/año hasta alcanzar las 350.000 toneladas anuales las más grandes (para más detalle, consultar el capítulo 5). Las plantas de pequeña capacidad de producción son unidades relativamente compactas que, generalmente, disponen de la posibilidad de construcción en módulos menores. Por el contrario, las fábricas de biodiésel correspondientes a grandes capacidades de producción se aproximan más al concepto de refinería, empleado para obtener los productos derivados del petróleo. En este caso, como se ha comentado anteriormente, se analiza la estructura de costes para una planta de producción de biodiésel con capacidad de 24.000 t/año, representativa de una producción pequeña o media por ser lo más representativo para países en desarrollo. La información se ha obtenido principalmente de la presentación realizada en el Taller internacional sobre Biodiésel y Cooperación en Madrid, en Marzo de 2006, por Hugo Lucas, Secretario General de la Asociación para la Difusión del Aprovechamiento de la Biomasa (ADABE). El análisis económico de la planta de 24.000 t/año se muestra en la Tabla 6. La inversión necesaria se ha cifrado TECNOLOGÍA Capacidad de la planta Inversión Análisis económico de una planta de 24.000 t/año [6]. 24.000 t/año 9,3 ME Precio Fase G Consumo por litro de biodiésel COSTES FIJOS Amortización Personal Otros gastos fijos COSTES VARIABLES Producción de biodiésel 1,02 l aceite 5,5 c E/l 0,5 c E/l 6,1 c E/l 7,6 c E/l Purificación de la glicerina TOTAL COSTE BIODIÉSEL SIN ACEITE 19,7 c E/l Los costes fijos están compuestos por el coste de personal, la amortización, y otros gastos fijos, que incluyen fundamentalmente el mantenimiento, los seguros y los costes de distribución. El personal necesario para operar la planta las veinticuatro horas al día es un jefe de planta más seis operarios. La amortización se ha calculado en diez años, con una tasa de descuento anual del 10%.
18 4. Viabilidad económica Figura 11 Amortización 9% Otros costes fijos: 9% Otros costes variables: 2% Energía: 1% Reactivos: 9% Aceite: 69% Estructura de costes de una planta de 24.000 t/año [6]. En la Figura 11 se observa cómo en la estructura de costes de la planta de 24.000 t/año el aceite puede llegar a suponer hasta el 69% del coste total de producción de biodiésel. También aparecen como costes a tener en cuenta los costes fijos o los reactivos necesarios para llevar a cabo la reacción. Una vez mostrada la enorme importancia del coste del aceite en la fabricación de biodiésel, se realiza un estudio de sensibilidad para valorar el impacto de otros parámetros en el coste de producción del biocarburante en la planta. Para ello, los resultados se proporcionan en función del coste máximo permitido del precio del aceite para cada variación del parámetro seleccionado en el estudio. Los factores escogidos para dicho análisis son la inversión necesaria en la planta de biodiésel, la amortización, los costes variables, el precio de la glicerina y el precio de venta del biodiésel. Tabla 7 Escenario base Variación (%) Coste máximo del aceite (ce/l) INVERSIÓN Una inversión 6 43,7 inicial de 9 ME 11 43,4 implica un coste 17 43,1 máximo del aceite 22 42,8 de 44 ce/l. 28 42,5 COSTES VARIABLES Unos costes 10 43,1 variables de 7,6 ce/l 15 42,7 implican un 20 42,3 coste máximo del 25 41,9 aceite de 44 ce/l. 30 41,6 35 41,2 PRECIO DE VENTA Un precio de venta 10 38,9 DEL BIODIÉSEL del biodiésel de 50 ce/l 20 43,8 implica un coste 30 48,7 máximo del aceite 40 53,7 de 34 ce/l. 50 58,6 PRECIO DE VENTA Un precio de venta 33 41,8 DE LA GLICERINA de la glicerina de 66 40,7 150E/t implica un 100 39,7 coste máximo del 133 38,7 aceite de 42,8 ce/l. 166 37,6 200 36,6 Valores del análisis de sensibilidad. Coste máximo del aceite [6].
19 Para el cálculo de la amortización de las inversiones se han tenido en cuenta dos hipótesis en el escenario base: el periodo de amortización de la planta es de 10 años, y la tasa de descuento anual del 10%. En un segundo escenario, en el que el periodo de amortización se redujera hasta los 6 años, el coste por dicho concepto aumentaría en 2,3 ce/l, alcanzándose los 7,8 ce por litro de biodiésel producido. Así, el coste total del biodiésel sin el aceite se elevaría hasta los 22 ce/l. La inversión necesaria para la construcción de la planta de biodiésel se ha estimado a partir de valores aproximados suministrados por los proveedores de tecnología. Como se ha indicado, esto supone un coste de 390 E por tonelada de capacidad instalada. Se trata de un valor relativamente bajo, puesto que de media las plantas de pequeña capacidad presentan un coste total por tonelada de capacidad instalada de 750 E, mientras que en las plantas de mayor capacidad el coste se reduce hasta los 340 E. La Tabla 7 recoge los principales resultados del análisis de sensibilidad que evalúa la influencia de variaciones en los parámetros críticos sobre el coste máximo del aceite. Las variaciones reflejadas corresponden en todos los casos a aumentos del parámetro considerado, a excepción del precio de venta de la glicerina. Por otro lado, la Figura 12 recoge la representación gráfica del efecto que cada variación tiene sobre el precio máximo que podría tener el aceite para que el proyecto resulte rentable. Se observa que aumentos importantes en el coste de la inversión no repercuten de manera significativa en el coste máximo del aceite. Por tanto, la estructura de costes de la planta de biocarburantes presenta una sensibilidad muy baja respecto del coste de la inversión inicial. Del mismo modo se observa que para los costes variables, fundamentalmente representados por los costes de los reactivos y de la energía, si bien existe una repercusión algo mayor que para la inversión inicial, la sensibilidad a variaciones es baja. En el caso de la glicerina, el mercado, tal y como se analizará posteriormente en este apartado, pronto alcanzará su saturación. Por ello, es previsible que sus precios sigan bajando, y a la vez, que resulte más complicado comercializar la fase glicérida obtenida en las plantas de biodiésel. Por tanto, se ha de considerar la posibilidad de que no se encuentre mercado e incluso que haya que pagar para su gestión, alcanzando un coste máximo de 150 E por tonelada de glicerina retirada. En este supuesto, el coste máximo del aceite descendería hasta los 36,6 c E/l, en cuyo caso sería probable que la planta de biodiésel dejara de ser competitiva, dado que el precio del aceite ha sufrido grandes subidas en los últimos años. Figura 12 200 Inversión 180 160 Costes variables Variación (% en valor absoluto) 140 120 100 80 60 40 Precio de venta del biodiésel Precio de venta de la glicerina 20 0 30 35 40 45 50 55 60 Análisis de sensibilidad. Coste máximo del aceite. Coste máximo del aceite (ce/l)
20 4. Viabilidad económica Sin embargo, grandes descensos en el precio de la glicerina, tal y como se muestra en el gráfico anterior, no implican necesariamente importantes variaciones en el precio máximo permitido de compra del aceite. Por tanto, a pesar de que la estructura de costes no presenta demasiada sensibilidad al precio de venta de la glicerina, el problema radica en que en determinados escenarios el coste máximo del aceite alcanzaría niveles suficientemente bajos como para no permitir que la planta de biodiésel fuese rentable. Por último, la figura muestra la sensibilidad de la estructura de costes al precio de venta del biodiésel. A diferencia de los demás parámetros analizados, se observa que la estructura de costes se ve gravemente afectada por variaciones en los precios del biodiésel. Así, un aumento del 20% provoca una variación hasta del 29% en el coste máximo del aceite. El precio de venta del biodiésel es por lo tanto el principal factor crítico en la estructura de costes de una planta de producción de biodiésel. La Tabla 8 recoge la influencia del rendimiento del proceso productivo, del coste del aceite y del precio del biodiésel en la rentabilidad de la planta. Por tanto, supuesta una inversión dada en una planta de producción de biodiésel con un rendimiento productivo determinado, parece que los parámetros más preocupantes para el productor son el coste del aceite y el precio de venta de la glicerina y del biodiésel. A continuación se analizarán estos tres factores críticos, estudiando la evolución del mercado y de los precios de venta, para determinar tanto la problemática asociada como las posibles alternativas y soluciones de futuro. Tabla 8 Factor PLANTA DE BIODIÉSEL Variación del factor Variación del beneficio Rendimiento del proceso 10% 25% Coste de la inversión 10% 2.5% Coste salarial 10% 4% Coste de la energía 10% 1% MATERIAS PRIMAS Coste del aceite 10% 22% Coste del metanol 10% 2% Coste del catalizador 10% 1% VENTAS Precio del biodiésel 10% 32% Precio de la glicerina 10% 5% Factores críticos en la rentabilidad de una planta de biodiésel [7]. 4.2. ANÁLISIS DE RENTABILIDAD: FACTORES CRÍTICOS 4.2.1. Análisis de las materias primas: coste del aceite El coste del aceite es el que repercute de manera más significativa en el precio final del biocarburante. A la importancia del precio del aceite en la estructura de costes de una planta de producción de biodiésel hay que añadir la enorme volatilidad del precio, así como la dificultad para asegurar su abastecimiento a largo plazo. El resto de materias primas necesarias para la elaboración del biodiésel son fundamentalmente el alcohol -suele emplearse metanol- y el catalizador. Tal y como se ha indicado para el caso de la planta de 24.000 t/año, no se trata de parámetros decisivos en la estructura de costes, debido fundamentalmente a las cantidades relativamente pequeñas necesarias -en comparación con las de aceite vegetal- para la reacción de transesterificación. Así, a pesar de que el precio del metanol de calidad máxima empleado para la producción de biodiésel ha aumentado recientemente de 320 E/t hasta 580 E/t, la estructura de costes no se ve fuertemente modificada. Por tanto, en adelante sólo se estudiará el mercado del aceite vegetal en el análisis de las materias primas como factor crítico de la rentabilidad de la planta de biodiésel. La principal materia prima para la producción de biodiésel son los aceites vegetales de cultivos oleaginosos. A nivel mundial, destacan fundamentalmente el aceite de soja, de colza y de palma, habiéndose registrado crecimientos importantes en los últimos cinco años, con predominio del aceite de palma. En el gráfico siguiente se observa la producción mundial en millones de toneladas de estos tres tipos de aceites: la producción de aceites de soja y de palma es similar a lo largo de los últimos años, alcanzando los 40 millones de toneladas anuales, mientras que la producción de aceite de colza es casi tres veces menor (Figura 13). Figura 13 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2002 / 03 2003 / 04 2004 / 05 2005 / 06 2006 / 07 Aceite de Soja Aceite de Palma Aceite de Colza Principales aceites para producción de biodiésel. Producción mundial (Mt) [8].