Biocombustibles líquidos competitivos a partir de biomasa.

 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?