Biocombustibles Compilación y armado Sergio Pellizza Dto. Apoyatura Académica I.S.E.S www.biblioises.aike.org Aproximando el mundo a las manos de todo el mundo Qué es un biocombustible? Según la etimología de la palabra sería un combustible de origen biológico. Así tal cual incluso el petróleo lo sería, pues procede de restos fósiles de seres que vivieron hace millones de años. Pero se tiende a definir como biocombustible a un combustible de origen biológico obtenido de manera renovable a partir de restos orgánicos. Esta fue la primera fuente de energía que conoció la humanidad. La madera o incluso los excrementos secos son biocombustibles. Si se administra bien la madera de los bosques puede ser un recurso renovable (mal administrado es un desastre ecológico). De este modo se propuso la biomasa como fuente de energía. Una de estas biomasas sería virutas de madera producto de la limpieza de bosques o incluso de su explotación racional. En realidad toda sustancia susceptible de ser oxidada produce energía. Si esta sustancia procede de plantas, entonces al ser quemada (oxidada) devuelve a la atmósfera el dióxido de carbono que la planta tomó del aire tiempo atrás. Por tanto, desde el punto de vista ecológico es un sistema que respeta el medio ambiente, pues no hay un aumento neto de gases de efecto invernadero. La energía que consumimos en ese acto de quemar procede en última instancia de la luz del sol. Las plantas, gracias a la fotosíntesis fijan energía y dióxido de carbono en moléculas orgánicas ricas en carbono e hidrógeno. Es pues una forma de energía solar indirecta. Lamentablemente la fotosíntesis dista mucho de ser muy eficiente y sólo un 1% de la energía que la planta recibe es aprovechada. Hay que restar que las rutas metabólicas de la planta nos son totalmente eficientes y además durante su vida consume parte de la energía almacenada. Por tanto al final
nosotros podemos aprovechar menos de ese 1%. Sabemos la energía que consumimos ahora mismo y sabemos toda la energía del sol que recibimos. Es fácil hacer el cálculo de cuántas hectáreas necesitaríamos para cubrir el gasto energético actual de un país occidental y veremos que la superficie de cultivo que necesitaríamos sería comparable al área del propio país. No obstante, es posible utilizar este tipo de combustible como complemento o para aprovechar ciertos recursos que sería de todos modos desperdiciados. Aunque cubra un pequeño porcentaje de la producción de energía total aportaría su contribución de todos modos. En este reportaje nos centraremos en los biocombustibles líquidos susceptibles de ser utilizados en automoción. La utilización de virutas o aserrín directamente como combustible en nuestros automóviles es más o menos absurda. Necesitamos por tanto transformar de algún modo nuestra biomasa en biocombustible líquido. Casi cualquier sustancia orgánica líquida o gasificable puede ser utilizada en un motor de explosión interna con la apropiada mecánica. Utilizar otros combustibles alternativos en nuestros actuales motores sería más sencillo que la utilización de hidrógeno que se basa en una tecnología totalmente distinta. Los motores que llevan nuestros autos son de dos tipos: de ciclo de Otto y de ciclo Diesel. En el primero normalmente quemamos generalmente gasolina y en el segundo gas-oil. Pero vamos a ver que pueden ser capaces de quemar otro tipo de combustibles como alcohol en el primero y ésteres grasos o incluso aceites vegetales en el segundo. Con los precios del barril del petróleo por las nubes se está mirando con otros ojos este tipo de biocombustibles, apareciendo muy atractivos a los ojos de gobiernos e inversores. La ley de 2005 sobre política energética de los EEUU propone la producción de 30.000 millones de litros de etanol y biodiesel para 2012, que representaría un 5,75% de las necesidades totales de combustible para el transporte del país. Para el primer caso del ciclo Otto siempre se puede utilizar alcohol etílico procedente de la fermentación del azúcar. De hecho en un pequeño porcentaje (15%) puede ser añadido directamente a la gasolina corriente sin necesidad de modificar el motor. Si se desea utilizarlo a altas concentraciones (hasta el 85%) hay que introducir modificaciones en el motor, cambiando el sistema de carburación o regulando el sistema de inyección. En algunos modelos japoneses de motores un sensor detecta qué porcentaje de alcohol y gasolina hay en la mezcla y ajusta en tiempo real la cantidad a inyectar. De este modo se puede utilizar cualquier proporción alcohol-gasolina que se desee. Y si no encontramos un surtidor de un tipo podemos utilizar el otro
sin importar lo que pase en el depósito. Los primeros prototipos de motores tipo Otto funcionaban con alcohol así que no es una idea realmente nueva. Naturalmente, la quema de alcohol produce muchos menos contaminantes que la gasolina. De hecho, en los EEUU se añade regularmente alcohol de maíz como aditivo a las gasolinas corrientes para reducir la contaminación producida en su combustión. El alcohol puede proceder del maíz como en los EEUU o de la caña de azúcar como en Brasil. En este último país se ha venido utilizando el alcohol como combustible de automoción desde hace ya muchos años aunque ha caído un poco en desuso porque Brasil también cuenta con reservar de petróleo en su subsuelo. La caña de azúcar, la remolacha o el maíz no son la única fuente de azúcar. Sería interesante obtener azúcar de la misma celulosa. Al fin y al cabo la celulosa no es más que una larga cadena formada por eslabones de glucosa. De este modo, casi todo residuo vegetal será susceptible de ser transformado en azúcar y luego gracias a la fermentación por levaduras obtener el alcohol destilando el producto obtenido. Se calcula que se producen miles de millones de toneladas de estos productos cada año. Según el National Resources Defense Council (NRDC) esta vía de obtención de combustible produciría un 30% de las necesidades de combustible de automoción para 2050. Transformar la celulosa en azúcar no es fácil, hace falta un sistema para romper la larga cadena de carbohidratos en sus eslabones de monómeros que la constituyen. De hecho, la celulosa es la que da rigidez a las plantas, son como ladrillos para ellas. Para romper la cadena se pueden utilizar encimas especiales, que se pueden obtener industrialmente, pero hasta ahora tenían un precio muy alto. El pasado Enero dos compañías californianas (Novozymes y Genencore) anunciaron una drástica reducción en el precio de estas encimas (celulasas), gracias al uso de técnicas de ingeniería genética. Así el precio de las celulasas empleadas para producir un litro de alcohol sale sólo por 5 céntimos de dólar cuando en 2005 salía por 1,30 dólares. Se espera reducir aun más el coste del proceso si en lugar de utilizar dos pasos (ruptura de la celulosa en un ambiente rico de oxígeno en presencia de la encima y posterior fermentación con levaduras) se emplea un solo paso con microorganismos genéticamente manipulados que puedan obtener directamente la energía de la celulosa y producir así etanol. En la producción de etanol a través de celulosa se necesita tratar previamente la materia vegetal, y ahora ya se han descubierto procesos que rebajan a la mitad el costo usando amoniaco líquido.
El proceso de destilación es energéticamente costoso y se investiga (George Huber de University of Wisconsin Madison) la producción directa de biodiesel basado en derivados del azúcar a partir de celulosa. Este proceso utiliza un reactor catalítico de cuatro fases que produce alcanos líquidos que, como los aceites, se separan espontáneamente del agua por flotación. Se investiga además en cómo reducir la complejidad del proceso de todo el proceso. Restos vegetales de todo tipo sería útiles para la obtención de celulosa: aserrín, paja, césped, virutas de madera, papel, hojas de árbol, etc. Fijémonos ahora en el sistema Diesel. Además del biodiesel mencionado arriba hace ya algún tiempo se viene fabricando biodiesel a partir de aceites vegetales para ser utilizados en este tipo motores. Como aceite de partida se puede utilizar cualquier tipo de aceite o grasa, ya sea usado o sin usar. Es típico utilizar aceites de fritura usados en los McDonalds u otros tipos de restaurantes de comida rápida. Como en esos sitios siguen un protocolo estricto de uso sobre estas sustancias, el material resultante suele ser muy homogéneo y por tanto más susceptible de ser transformado en biodiesel de una manera sencilla. Hace tiempo este tipo de materia prima se podía obtener gratuitamente porque para estas empresas suponía un gasto deshacerse del producto legalmente, pero ahora lo venden. Naturalmente también se puede utilizar aceite obtenido directamente de ciertas plantas como la soja, el girasol, etc. Si no se destina a consumo alimentario los requerimientos son menores y el producto sale más barato. La utilización directa de un aceite vegetal en un motor diesel es posible, aunque hay que introducir modificaciones en el motor. Uno de los inconvenientes es que estos aceites se congelan a temperaturas moderadamente bajas. Aun así hay algunas personas que los utilizan de este modo. Pero el sistema más habitual es la transformación de estos aceites a través de un proceso de esterificación. De este modo, a partir de alcohol metílico, hidróxido sódico y aceite vegetal se obtiene un éster que se puede utilizar directamente en un motor diesel sin modificar, obteniéndose glicerina como subproducto. La glicerina puede utilizarse para otras aplicaciones. Este tipo de transformación se empezó a realizar por particulares mediante rudimentarios medios caseros, e incluso hay algún que otro diseño casero de producción más o menos continua de biodiesel. Ahora ya hay empresas que se encargan de reciclar aceites usados para su transformación en biodiesel. Luego lo venden como aditivo a las empresas petroleras. Así que si usted conduce un diesel seguro que ya consume
biodiesel en su auto en una pequeña proporción. Entre las ventajas de este combustible es que produce menos contaminación ambiental que el diesel normal por la baja emisión de compuestos de azufre. Se ha llegado a proponer otro tipo de combustibles biodiesel (este tipo de motores pueden quemar casi cualquier cosa orgánica en forma de líquido), entre ellos uno producido a partir de restos orgánicos incluidos gatos muertos encontrados aplastados en la carretera (para gran preocupación de las protectoras de animales) o estiércol. Se plantea incluso obtener biodiesel de las aguas residuales. Este tipo de combustibles se podrían utilizar en Europa debido al gran parque automovilístico de motores Diesel. No obstante hay voces en contra de la utilización de biocombustibles. Según David Pimentel de Cornell University la producción de etanol, al menos en el caso del producido a partir de maíz, aumentan el consume de petróleo consumiendo un 29% más de energía de la que produce como combustible. En los campos de cultivo se utilizan fertilizantes que se obtienen directa o indirectamente de la energía del petróleo y la maquinaria agrícola también consume petróleo. Según este y otros investigadores las cuentas no salen. Según otros si el proceso de obtención se optimiza el etanol produce un 67% más de energía que la consumida en su producción. El uso de pesticidas, fertilizantes y otros tipos de técnicas de cultivo agresivas, con los problemas de contaminación y desertificación que conllevan pueden también dar al traste con estos combustibles verdes. Pero no podemos negar que este tipo de combustibles tienen atractivo entre mucha gente alternativa. UTILIZACIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES enlace de origen Redacción Ambientum La biomasa es una tradicional fuente de energía que perdió volumen en nuestro país con la sustitución de la madera y del "cisco" como combustibles domésticos, en favor de la electricidad y del gas. A pesar de ello podemos indicar que aún hoy un 3% de le energía primaria tiene ese origen. Hoy se suelen denominar biocombustibles a los combustibles líquidos que se obtienen por transformaciones químicas o biológicas de la biomasa, y cuya aplicación se enfoca hacia el sector del transporte. Dos son los grandes grupos que engloban a estos
productos: Etanoles y Aceites, y esteres vegetales El etanol se obtiene por la fermentación alcohólica de los azúcares de la biomasa y puede transformarse en una serie de compuestos, siendo el de más interés el etilercbutileter ETBE. Su producción se basa en las melazas azucaradas de la remolacha y de la caña de azúcar. También puede extraerse del maíz y del trigo, y las nuevas investigaciones contemplan utilizar biomasa residual de las actividades ganaderas, agrícolas y forestales, mucho más barata que las fuentes anteriores. Los procesos industriales para obtener bioetanol son diversos según las materias primas utilizadas. La base científica es sencilla y la tecnológica también. Por lo general se someten a pretratamientos que generalmente incluyen su hidrólisis, fermentación y posterior destilación del alcohol: bioetanol hidratado. Si se desea obtener el bioetanol deshidratado hay una serie de tratamientos adicionales que concluyen con una segunda destilación. El otro gran grupo de biocombustibles líquidos suele extraerse de las semillas y partes vegetales de las plantas oleaginosas. Los aceites vegetales presentan problemas para utilizarse directamente como combustibles, pero sus derivados: esteres y alquilesteres tienen más mercado en su aplicación práctica. Las materias primas adecuadas en nuestro país son la soja, la colza y el girasol. La extracción del aceite es la habitual en la industria oleicota: prensado, extracción y refino. Posteriormente deben someterse al proceso de transesterización en la que se hace reaccionar el aceite con metanol en presencia de un catalizador. Se concluye con la separación del producto principal. Los actuales esfuerzos se centran en el área de la investigación para conseguir las mejores especificaciones en materias primas y procesos más económicos, con mejores rendimientos y con mayor calidad y regularidad productiva. Los objetivos básicos de estos combustibles son sustituir a la gasolina y al gasóleo en los motores de automoción, aunque hay otras muchas aplicaciones. Las tablas muestran la comparación de características entre estos productos. Como características desfavorables del etanol está su alta volatilidad y el elevado punto de auto ignición, lo que le da cierta peligrosidad y problemas de arranque en frío, lo que, a efectos prácticos, plantea problemas en el arranque de los motores y exige soluciones técnicas complementarias. En el caso del etanol hidratado añade el problema de corrosión que obliga a rediseñar los materiales de los motores. Ello no permite el uso alternativo de etanol o gasolina, pero sí la utilización de motores específicos de etanol, como ocurre en el Brasil. En el caso de los aceites las diferencias son aún mayores, y su
uso se centra exclusivamente en motores diesel diseñados específicamente para estos combustibles. Sin embargo sus derivados, metilesteres, si pueden utilizarse con ligeras modificaciones. Las aplicaciones prácticas más razonables son las mezclas de estos productos, "aditivos oxigenados", con la gasolina y el gasóleo, para conferir ciertas propiedades, elevación del octanaje, evitando la adición de sales de plomo, reduciendo las emisiones contaminantes. Estas soluciones tienen también problemas pues se incrementa el riesgo de corrosión, lo que limita estas aplicaciones al etanol anhidro. Las ventajas ambientales de la producción de biocombustibles llevan aparejadas otros problemas que, en estos momentos, están en fase de investigación y experimentación. El rendimiento energético de sus transformaciones es bajo, llegando a su máximo 65% en las melazas de caña de azúcar, pasando por un 30% en el caso de maíz y valores aún inferiores utilizando otras materias. En consecuencia, los costos son altos, de tres a cuatro veces los de los combustibles fósiles habituales, lo que dificulta su aplicación práctica, en libre mercado. Más de cincuenta países comercializan el bioetanol, y el mayor nivel está en Brasil y en Estados Unidos. Desde hace 20 años, en Estados Unidos se comercializa un producto, gasohol, que se basa en biotenol procedente de la destilación del maíz, y que se mezcla, al 10%, en la gasolina normal, sin precisar hacer modificaciones en los motores. Significa aproximadamente un 3% del total de consumos de combustibles. Por otro lado la ley quiere obligar al uso de "aditivos oxigenados" para elevar el índice de octano. Su avance se basa en subvenciones y ayudas económicas, buena parte de las cuales va a la investigación para optimizar procesos, mejorar eficacias, rendimiento y calidad. A pesar de ello las previsiones de reducción de costos los llevan al doble del de los combustibles fósiles. En Brasil, la crisis del petróleo del año 1.975 propició el proyecto Proalcohol, cuyo objetivo era
la sustitución total de los combustibles del petróleo a partir de bioetanol procedente de las melazas de la caña de azúcar. Esta nueva industria ha permitido la creación de casi un millón de puestos de trabajo, con la operación de más de 700 destilerías, instalaciones complementarias, redes de transporte, diseño y fabricación de motores específicos para estos combustibles, etc. En Europa se llegó a plantear, en 1985, el objetivo de sustituir el 25 % del combustible fósil por bioetanol. No fue aprobado por cuestiones de rentabilidad y costo. A pesar de ello se han dedicado sustanciales fondos para la investigación y el desarrollo de estas tecnologías. Una interesante medida es la propuesta de la directiva Scrivener, nombre de la diputada francesa que la propuso, y que consiste en la detaxación del bioetanol en valores cercanos a los que gravan los combustibles fósiles, como medida para facilitar la competitividad. Esta idea filosófica ha tenido aplicaciones parciales prácticas, especialmente en Italia, Francia, Alemania y Austria que han sido pioneras en el sector. Las experiencias van creciendo para conseguir el objetivo de que los biocombustibles signifiquen el 15% del combustible fósil utilizado en transporte en el año 2005. El uso de los biocombustibles aporta claros beneficios ambientales y genera un importante nivel de empleo, sobre todo en el área rural, y debemos tener en cuenta que la política agraria de la Comunidad ha obligado a reducir, de forma muy importante, las actividades agrícolas. El avance tecnológico y de investigación acerca cada vez más las rentabilidades a valores aceptables pero esto será difícil a corto plazo, por lo que debieran tenerse en cuenta los "costos ecológicos" aplicándolos por vías legales a definir para conseguir que en el año 2005 se llegue a un punto de equilibrio y de lógica sustitución.