UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE ZACATECAS.
SEMINARIO DE INGENIERÍA EN ENERGÍA DE LA BIOMASA.
BIOCOMBUSTIBLES LÍQUIDOS COMPETITIVOS A PARTIR DE BIOMASA.
Jesús González Beltrán
RESUMEN
El costo de biodiésel varía dependiendo de la materia prima, área
geográfica, los precios del metanol, y estacional variabilidad en la producción
de cultivos. La mayoría del biodiesel está hecho a partir de soja, semilla de
colza y palma aceites. Sin embargo, hay grandes cantidades de bajo coste de las
materias grasas (por ejemplo, residuos de restaurante, sebo de vaca, carne de
cerdo manteca de cerdo, y grasa amarilla), que podría ser convertido en
biodiesel. El costo de producción de bioetanol en un molino seco de planta
asciende actualmente a EE.UU. $ 1.65/galon. El tamaño de la planta puede
reducir los costes operativos en un 15-20%, ahorrando otros $ 0.02-$ 0.03 por
litro.
INTRODUCCIÓN
Los biocombustibles más comunes, son el etanol de remolacha, maíz, el trigo o el azúcar y el biodiesel a
partir de semillas oleaginosas, son producidos a partir de cultivos
alimentarios clásicos que requieren alta calidad de la tierra agrícola para el
crecimiento.
Los problemas serios frente a la oferta mundial de alimentos en la
actualidad. Alimentos versus combustibles es el dilema con respecto al riesgo
de desviar tierras de cultivo o de los cultivos para la producción de
biocombustibles líquidos en detrimento del suministro de alimentos.
La
clasificación de los biocombustibles basados en sus tecnologías de generación
se muestra en la tabla 1.
De los combustibles a partir de biomasa comprende la mayor energía
renovable explotada a nivel mundial. Los procesos de alta capacidad para la
conversión de la biomasa disponible en abundancia en biocombustibles líquidos
son esenciales para reducir la dependencia de fuentes de petróleo, la expansión
de la utilización de procesos neutros en carbono, y el aumento de los ingresos
rurales. La producción de cereales a base de etanol y biodiesel vegetales
basadas en aceite se practica hoy en día con dificultades debido a la
competencia con el suministro de alimentos.
Los costos de producción de biocombustibles puede variar
ampliamente por materia prima, proceso de conversión, la escala de la
producción y de la región. Para los biocombustibles, el costo de la materia
prima (cultivos) es un componente importante de los costes totales. En
particular, el coste de producción de aceite de semilla de derivado de
biodiesel está dominado por el coste del aceite y por la competencia de los
usos de alto valor, como la cocina. La
tabla 2 muestra las estimaciones de los costos de los
biocombustibles.
El biocombustible líquido se refiere a los combustibles de biomasa
a líquido (BTLF). Los biocombustibles líquidos son fuentes de sustitución de
combustible al petróleo, pero algunas todavía incluyen una pequeña cantidad de
petróleo en la mezcla. La mayor diferencia entre biocombustibles y materias
primas del petróleo es el contenido de oxígeno.
El etanol derivado de bio-materia, tales como maíz, caña de azúcar
o cereales es frecuente, llamado como
bioetanol. Se espera que la demanda
ascienda a más del doble en los próximos 10 años. La producción mundial de etanol es aproximadamente
el 60% de la materia prima de los cultivos de azúcar.
El biodiesel se refiere a cualquier biocombustible diesel
equivalente por lo general a partir de aceites vegetales o grasas animales.
Puede ser utilizado directamente como combustible, o mezclado con el diesel de petróleo.
Con los aceites de cocina usados como materia prima, la viabilidad de un
proceso de transesterificación continua y recuperación de glicerol de alta
calidad como un sub-producto de biodiesel son opciones principales a tener en
cuenta para reducir el costo de biodiesel.
cuando se somete a temperatura elevada en ausencia de oxígeno (es
decir, la pirólisis), se convierte en gas, char sólido, y productos líquidos. El
producto liquido es bio-aceite tiene una densidad de aproximadamente 1,2 kg /
L.
BIODIESEL
El biodiesel se refiere a un combustible renovable para motores
diesel que se deriva de grasas animales o aceites vegetales (por ejemplo,
aceite de colza, aceite de canola, aceite de soja, aceite de girasol, aceite de
palma, aceite de cocina usado, sebo de vaca, sebo de oveja, y aves de corral) .
El biodiesel es de un claro color amarillo ámbar líquido con una viscosidad
similar al petróleo diesel. Con el punto de inflamación de 420 K, el biodiesel
no es inflamable ni explosivo, en contraste con petrodiesel, que tiene un punto
de inflamación de 337 K. Esta característica hace que los vehículos con motores
de biodiesel mucho más seguro en accidentes que los propulsados por diesel o
gasolina. A diferencia de diesel de petróleo, el biodiesel es biodegradable y
no tóxico y reduce significativamente las emisiones tóxicas y otros cuando se
quema como combustible. Técnicamente, el biodiésel es un combustible de motor
diesel compuesta de ésteres monoalquílicos de cadena larga de ácidos grasos
derivados de grasas animales o aceites vegetales, designados B100, y que cumple
los requisitos de la norma ASTM D-6751 estándar. Algunas de sus propiedades
técnicas se enumeran en la tabla 3.
El biodiesel se produce típicamente por la reacción de un aceite
vegetal o grasa animal con metanol o etanol en presencia de un catalizador para
producir ésteres metílicos o etílicos (biodiesel) y glicerina. El propósito del
proceso de transesterificación es para reducir la viscosidad y el contenido de
oxígeno del aceite vegetal. El biodiesel se separa fácilmente de glicerol. La
transesterificación es una de transformar la estructura grande molecular de los
aceites vegetales en otras más pequeñas. Generalmente, se prefiere metanol para
la transesterificación, ya que es menos caro que el etanol. Biodiesel produce
una potencia ligeramente menor. Sin embargo, el biodiesel es mejor que el
diesel en términos de contenido de azufre, punto de inflamación, contenido de aromáticos,
y biodegradabilidad. El costo de biodiésel varía en función de la materia
prima, área geográfica, los precios del metanol, y la variabilidad estacional
de la producción de cultivos.
La mayor parte del biodiesel está hecho a partir de soja, colza,
aceite de palma y el alto valor del aceite de soya como un alimento hace que la
producción de biodiesel a costo-beneficio muy difícil. Sin embargo, hay grandes
cantidades de bajo coste de las materias grasas (por ejemplo, residuos de
restaurante, sebo de vaca, manteca de cerdo, y grasa amarilla) que podrían ser
convertidos en biodiesel.
BIOETANOL
La mayoría del etanol se produce actualmente de la caña de azúcar
o de maíz. La levadura se utiliza para fermentar los azúcares en etanol. En el
caso de los hidratos de carbono (como el maíz), es necesaria una etapa de pretratamiento de la conversión
de carbohidratos en azúcares. En la actualidad, la industria del etanol de maíz
utiliza ya sea una molienda en seco o un proceso de molienda húmeda. Tras la
fermentación, el contenido de etanol es de sólo 10%, lo que requiere un
esfuerzo significativo en la separación para producir el etanol puro necesario
para el uso como combustible. La destilación puede concentrar etanol hasta
justo debajo de la concentración azeotrópica (95% mol), después de que separaciones
especializados (por ejemplo, tamiz molecular, destilación azeotrópica, el
secado de cal) se aplican.
Almidón o azúcar como base en la producción de etanol ha sido
acusado de la subida de los precios de los alimentos. Para satisfacer las
demandas actuales y futuras, la producción de etanol a partir de la fermentación
de biomasa lignocelulósica es una opción viable que no compite con el
suministro de alimentos. El proceso incluye los siguientes pasos fundamentales:
pretratamiento, hidrólisis de celulosa, la hidrólisis de las hemicelulosas, la
fermentación de cinco carbonos y azúcares de seis carbonos, la separación de
residuos de la lignina, y la recuperación y la concentración de etanol. Actualmente,
el etanol producido a partir de la lignocelulosa es más cara que la de los
almidones. Por lo tanto, los costes de producción deben reducirse.
El Bioetanol se puede utilizar directamente en automóviles
diseñados para funcionar con etanol puro o mezclado con gasolina para hacer''
gasohol”. Ninguna modificación del motor suele ser necesario para utilizar la
mezcla.
Los precios de los combustibles en Estados Unidos para 2008 y 2009
se muestran en la tabla 4. El costo de la materia prima es un factor económico importante
en la viabilidad de la producción de biocombustibles. La producción simultánea
de biometanol (a partir de jugo de azúcar) en paralelo a la producción de
bioetanol parece económicamente atractiva. El costo de producción de bioetanol
en una planta de beneficio seco asciende actualmente a EE.UU. $ 1.65/galón.
El etanol de la caña de azúcar, producido principalmente en los
países en vías de desarrollo con climas cálidos, es generalmente mucho más
barato de producir que el etanol a partir de remolacha o azúcar de grano en los
países de la AIE. Si las reducciones previstas en los costos de conversión se pueden
lograr, el costo total de la producción de etanol celulósico en países de la
OCDE podría caer por debajo de la de etanol de grano.
Las estimaciones muestran que el bioetanol en la UE será
competitivo cuando el precio del petróleo llegue a EE.UU. $ 70 el barril,
mientras que en Estados Unidos se convierte en competitiva a EE.UU. $ 50-60 por
barril. Para Brasil, el umbral es mucho más bajo - entre $ 25 y 30 dólares
EE.UU. por barril. Los precios en la India se han reducido y se acercan al
precio de la gasolina.
El tamaño de las plantas puede reducir los costos operativos en un
15-20%, ahorrando otro $ 0.02-$ 0.03 por litro. Por lo tanto, una gran planta
con costos de producción de US $ 0,29 por litro puede ser un ahorro de $ 0.05-$
0.06 por litro durante una planta más pequeña.
BIO-ACEITE
La pirólisis presenta una atractiva opción para convertir la
biomasa sólida en un líquido bio-aceite, que es más fácil de transportar,
almacenar y actualizar. Una alta producción de bio-aceite requiere un tiempo de
residencia de vapor muy baja de, típicamente, 1s para minimizar las reacciones
secundarias, aunque, rendimientos razonables pueden ser obtenidos en tiempos de
residencia de hasta 5s si la temperatura del vapor se mantiene por debajo de
675 K.
Bio-aceite es un líquido viscoso, corrosivo, y la mezcla inestable
de un gran número de moléculas oxigenadas, dependiendo del proceso de pirólisis
y materia prima de biomasa. Debido al alto contenido de oxígeno, el valor de
calentamiento es inferior a la mitad de líquido de petróleo. Bio-aceite debe
ser actualizado antes de su uso como combustible líquido. Distintos métodos
disponibles incluyen fraccionamiento con disolventes, hidroprocesamiento, y el
craqueo catalítico. Bio-aceite puede ser producido a partir de una variedad de
residuos forestales secos y desechos agrícolas. Propiedades del combustible de
diesel, biodiesel y aceite de pirólisis (bio-oil) a partir de biomasa se
presentan en la tabla 6.
Efecto de la catálisis
El
potasio y el calcio son los principales metales presente en forma de iones en
la biomasa, para otras biomasas, los iones metálicos se pueden añadir externamente
para modificar o adaptar los productos de pirólisis de biomasa. La presencia de
cationes alcalinos se sabe que afectan el mecanismo de la descomposición
térmica. La pirolisis de la biomasa catalizada ofrece un gran potencial para el
desarrollo futuro como una vía para modificar las propiedades bio-aceite.
Los rendimientos y las propiedades del Bio-aceite.
El
rendimiento del bio-aceite son entre el 60-80%, el rango de rendimiento varia
dependiendo de la composición de la biomasa. Por ejemplo, los rendimientos de bio-aceite
partir de madera están en el intervalo de 72-80%.
Bio-aceite
difiere significativamente de los combustibles derivados del petróleo debido a
su muy alta viscosidad, contenido de humedad y el contenido de oxígeno, y un
valor calorífico inferior. El alto contenido de agua (15-30%) De bio-aceite se
puede eliminar fácilmente por métodos convencionales, tales como destilación.
Además, el alto contenido de agua es responsable de la baja densidad de
energía, baja temperatura de llama, y las dificultades de encendido. En
contraste con diesel y gasolina, que son no polares y no absorben agua,
bio-aceite es altamente polar y pueden absorber agua hasta 35%. El poder
calorífico superior de bio-aceite es 16-19 MJ / kg en comparación con el 40-45
MJ / kg de los combustibles de petróleo convencionales. Propiedades de los
combustibles de diesel, biodiesel y aceite de pirólisis (bio-aceite) a partir
de biomasa se dan en la tabla 7.
Propiedades
y características típicas de madera derivada de bio-aceite se presentan en la
Tabla 8.
Mejoras del bio-aceite.
La figura 2 muestra la mejora de la biomasa base pirolisis. La mejora de
líquido se hace a partir de tres etapas. Hay mejora física (condensación
diferencial, filtración de líquidos y adición de disolvente), la mejora
catalítica (desoxigenación y la reforma), y químicas modernización (nuevo
combustible y la síntesis de sustancias químicas).
El bio-aceite obtenido de la pirólisis rápida de la biomasa tiene
un alto el contenido de oxígeno. Cetonas y aldehídos, ácidos carboxílicos y
ésteres, alcoholes alifáticos y aromáticos, y éteres se han detectado en
cantidades significativas. Los problemas principales del aceite son la
inestabilidad. Por lo tanto el estudio de la desoxigenación de bio aceite es
necesario.
En general, la mayoría de los estudios hidrodesoxigenación se han
realizado utilizando catalizadores existentes hidrodesulfuración (NiMo y CoMo
en vehículos adecuados). La tabla 9 muestra los procesos de mejoramiento de líquido de pirólisis
flash o bio-aceite.
El principal objetivo hidrodesoxigenación parcial catalítica es
incrementar el valor energético del aceite mediante la eliminación de oxígeno
unido en forma de agua. Hidrodesoxigenación de aceites biológicos implica el
tratamiento de los aceites a temperaturas moderadas con hidrógeno a alta
presión en presencia de catalizadores heterogéneos
El hidrógeno se puede utilizar para convertir la biomasa en
combustibles, lo que requiere un mayor nivel de hidrodesoxigenación en
comparación con la conversión de materias primas fósiles a combustibles. ''
Diesel verde "se refiere a un componente de la mezcla aceptable diesel
producido a partir de un pool biofeedstock adecuado. Verde diesel se puede
producir por cualquiera de hidrodesoxigenación o descarboxilación de aceites
vegetales y grasas con propano como un co-producto. Aunque hidrodesoxigenación
elimina oxígeno de un triglicérido o un ácido graso libre por reacción con
hidrógeno para formar agua y un n-parafina, la descarboxilación elimina el
oxígeno de los grupos carboxi de biomasa para formar dióxido de carbono y una
más corta n-parafina.
Propiedades
de la materia prima y actualizado bio-aceite se dan en la tabla 10.
Biocrudo
Biocrudo tiene un contenido de oxígeno de 10-20% en peso. Y valor calorífico
de alrededor de 35 MJ / kg, que puede ser mejorado aún más por hidrodesoxigenación
(HDO) para producir líquidos similares al diesel y jet combustible. El proceso tiene
un requisito de calefacción alta, por lo que es necesaria la integración de las
plantas comerciales para la energía adecuada .El tratamiento hidrotérmico puede
ser utilizado para licuar la biomasa y aumentar densidad de energía para
producir biocrudo.
Generalmente, el medio hidrotermal se refiere al agua que ha sido calentado y
se comprimido simultáneamente. Como el agua se calienta, se continúa
para adquirir un interesante conjunto de propiedades. Por ejemplo, la densidad
disminuye, disminuye la constante dieléctrica, y el producto iónico primero aumenta
y después disminuye.
La constante
dieléctrica puede desempeñar un papel clave en la influenciade reacción de la biomasa,
como se describe por la relación Kirkwood. Durante una reacción, el estado de
transición puede ser de polaridad inferior o superior que el estado inicial. Un
medio dieléctrico alto reduce la activación de energía de una reacción de un
estado de transición de mayor polaridad que el estado inicial. Como
consecuencia, muchas reacciones tienen una alta activación por volumen. Mediante
la variación de la constante dieléctrica relativa con la temperatura y la
presión, las velocidades de reacción se puede controlar.
Otras propiedades útiles de medio hidrotermal son la alta difusión molecular y
baja viscosidad. Ambos dan lugar a la eficiente transferencia de calor y transferencia
de masa para las reacciones de licuefacción de biomasa sólida / líquida. La difusividad
de las moléculas no es tan alta como en la fase de gas, pero es mucho mayor que
en agua a temperatura ambiente. Ambos de estas propiedades se pueden utilizar para
reducir las necesidades de calentamiento y mezclado en los reactores
hidrotermales. Una combinación de alta difusividad, baja viscosidad, y alta
miscibilidad puede acelerar reacciones químicas y mejorar la eficiencia de la
reacción.
Licuefacción mecanismo.
Licuefacción hidrotérmica de biomasa con agua subcrítica tiene algunas ventajas
potenciales sobre otros procesos. Como el agua sirve tanto como medio de
reacción y el reactivo, el proceso puede utilizar biomasa húmeda sin la
necesidad de uso intensivo de energía secado. Por lo tanto, el agua
supercrítica en esta alta temperatura, región de baja densidad es más adecuado
para reacciones de radicales libres y un medio pobre para reacciones iónicas.
Propiedades de biocrudo.
Biocrudo es sólido a
temperatura ambiente y es típicamente líquido a temperaturas superiores a 353
K. Una porción grande es el cloroformo (o acetona) - soluble, con una pequeña
cantidad de material insoluble de alto peso molecular. El contenido de oxígeno
es típicamente 10-20 en peso.% Y es furánico o de naturaleza aromática. El
valor de calentamiento está en el rango de 30-36 MJ / kg.
Viscosidad del
biocrudo varía mucho con las condiciones de licuefacción. La alta viscosidad y
mayor indica una característica de flujo pobre y la estabilidad. El aumento de
la viscosidad se puede atribuir a la polimerización continua y reacciones de
acoplamiento oxidativo en el biocrudo tras el almacenamiento. Aunque la
estabilidad de biocrudo es generalmente mejor que la de bio-aceite, la
viscosidad de biocrudo es mucho mayor.
Conclusiones.
Es bien sabido que el transporte es casi totalmente dependiente de
los combustibles fósiles basados sobre todo petróleo tales como gasolina,
combustible diesel, gas licuado de petróleo y gas natural comprimido. Por lo
tanto, existe un gran interés en aprender más reciente sobre la obtención de
combustibles líquidos a partir de fuentes no fósiles. La combinación de los
precios del petróleo, los problemas de inestabilidad del clima de seguridad y
contaminación, y aumento de la pobreza en las zonas rurales y agrícolas, está
impulsando a los gobiernos a promulgar poderosos incentivos para el uso de
estos combustibles, que es a su vez la inversión chispa. De hecho, el mundo
está al borde de un aumento sin precedentes en la producción y uso de
biocombustibles para el transporte.
Hay dos biocombustibles globales de transporte de líquidos que
podrían reemplazar a la gasolina y el diesel, los cuales son el bioetanol y
biodiesel, respectivamente.
Los costos de producción de biocombustibles puede variar
ampliamente por materia prima, proceso de conversión, la escala de la
producción y de la región. El factor económico importante a considerar para el
costo de los insumos de la producción de biodiesel es la materia prima, que es
aproximadamente el 75-80% del costo total de operación. Otros costes son
importantes trabajo, el metanol y el catalizador, que debe ser añadido a la
materia prima.
En una base energética, el etanol es actualmente más caro de
producir que la gasolina en todas las regiones consideradas. Sólo etanol
producido en Brasil se acerca a competir con la gasolina.
La investigación se está llevando a cabo en todo el mundo para
desarrollar nuevas tecnologías para la generación de combustibles líquidos a
partir de recursos renovables. Actualmente, el biodiesel es producido por
transesterificación de aceites vegetales y grasas animales, y el etanol por
fermentación de la glucosa. Los procedimientos para la pirólisis eficiente y
licuefacción de la biomasa para producir bio-aceite y biocrudo se están
desarrollando.
Aceites biológicos son combustibles líquidos elaborados a partir
de materiales de la biomasa, como los cultivos agrícolas, desechos municipales
y agrícolas y forestales por productos mediante procesos termoquímicos. La
densidad del líquido es de aproximadamente 1200 kg/m3, que es mayor que el del
aceite combustible y significativamente mayor que la de la biomasa original.
En comparación con el petróleo, el biocrudo tiene sus propias
características, como el mayor contenido de oxígeno, que consta de varios tipos
de moléculas de amplio peso molecular, y estar en estado sólido a temperatura
ambiente. Biocrudo tiene un contenido de oxígeno de 10-20 en peso.% Y el valor
de calentamiento de aproximadamente 35 MJ / kg, que puede mejorarse aún más por
HDO para producir líquidos similares para combustible diesel y jet.
"El presente escrito es una traducción y/o interpretación del artículo cuya referencia se muestra al final del documento, se realizó el blog con fines de divulgación"
Ayhan Demirbas, competitive liquid biofuels from biomass, applied energy, 88, (2011), pag 17-28
Preguntas:
1.- ¿El biodiesel es inflamable o explosivo? ¿por que?
2.-¿A que precio se necesita que este el petroleo para que el bioetanol sea competitivo en la UE EE.UU. y Brasil?
3.-¿Por medio de que proceso se puede obtener bio-aceite partiendo de biomasa?
