BIOCARBURANTES, PRESENTE Y FUTURO Claves de la sostenibilidad

Francisco Cabello Pérez Tutor: D. Pedro Ollero de Castro Master en Tecnología Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Noviembre 2012

Antecedentes

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

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Antecedentes

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

Francisco Cabello Pérez Sevilla, Noviembre 2012

Francisco Cabello Pérez

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Índice

Índice 1.

Introducción .................................................................................................................... 5 1.1. Requisitos para la nueva generación de biocarburantes......................................... 7 1.2. El sector transporte: la necesidad de biocombustibles líquidos ............................. 8

2.

Biocarburantes ............................................................................................................... 11 2.1. Concepto ................................................................................................................. 11 2.2. Aspectos positivos y negativos de los biocarburantes............................................12 2.3. Bioetanol y biodiésel: Particularidades ..................................................................16 2.4. Diesel FT y DME .....................................................................................................21

3.

Tecnologías de producción............................................................................................ 25 3.1. Actuales (1G) .......................................................................................................... 25 3.2. En desarrollo (2G) ................................................................................................. 39

4.

Producción de biocarburantes ...................................................................................... 50 4.1. Plantas de producción............................................................................................ 50 4.2. Economía de la producción de biocarburantes ..................................................... 55 4.3. Sostenibilidad de los biocarburantes..................................................................... 59 4.4. Coproductos ........................................................................................................... 70

5.

Marco legal del sector biocarburantes .......................................................................... 72 5.1. Ámbito Europeo..................................................................................................... 72 5.2. Ámbito Español...................................................................................................... 72

6.

Hoja de ruta para los biocarburantes............................................................................ 76 6.1. Los biocombustibles como solución ...................................................................... 76 6.2. Posibles pasos a seguir en España ..........................................................................77

7.

Conclusiones.................................................................................................................. 79

8.

Bibliografía .....................................................................................................................81

Francisco Cabello Pérez

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Introducción

1. Introducción

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

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Introducción Los biocarburantes se perfilaban como la gran promesa de las energías limpias y como solución a la dependencia del petróleo. A principios de esta década Europa se fijó ambiciosos objetivos y España prometió situarse en la vanguardia. La primera fase ha sido introducir hasta un 5% de combustible de origen vegetal, bioetanol a la gasolina y biodiesel al diesel de origen fósil que consumen todos los coches. Pero la siguiente fase, que obliga a adaptar los coches para asumir mezclas más verdes, ofrece más incertidumbre. Ni las estrategias de los fabricantes ni las apuestas políticas parecen ir ya en la misma dirección. La gran apuesta de la automoción en Europa parece ahora el coche eléctrico. ¿Se han quedado definitivamente atrás los biocarburantes en la carrera de la energía sostenible? La generalización de los B20 y B30 (mezclas con un 20% y 30% de biocarburante, respectivamente) parece más lejana. Las normas que deben fijar los estándares se retrasan. Algo que inquieta a la industria, ya muy castigada por las importaciones, y la controversia sobre la responsabilidad de estos carburantes en la deforestación y encarecimiento de los alimentos, que ha llevado a los científicos a abrir nuevas líneas de investigación en busca de materias primas que no compitan con la industria alimentaria. La UE se ha marcado el objetivo de que las energías renovables supongan el 10% de la empleada en el transporte en 2020 (responsabilidad que recae principalmente en los biocarburantes, dada la escasa presencia del coche eléctrico en las carreteras) y España se impuso alcanzar un 5,83% en 2009, una meta que no se logró finalmente. En 2009 se matricularon 952.000 vehículos en España, de los que sólo 900 funcionaban con mezclas etiquetadas de biocarburantes [4]. Los coches flexibles, que aceptan biocarburante o convencional, llevan años en el mercado pero no alcanzan el 1‰. Si la estructura de los proveedores de combustibles tradicionales era de pocos abastecedores con gran capacidad individual, en el caso de los biocombustibles, el número de proveedores es mayor y su capacidad de producción relativamente baja, lo que configura un mercado muy heterogéneo y hace necesario un control muy riguroso. En España hay medidas fiscales importantes, como el tipo cero que se aplica a los impuestos de los biocarburantes hasta el 31 de diciembre de 2012 en la Ley de Impuestos Especiales para hidrocarburos, pero parece que no se consigue persuadir a los fabricantes. Las medidas más efectivas para ganarse el favor de los fabricantes de automóviles serían fiscales. Por otra parte, ahora el transporte de las mezclas etiquetadas de biodiésel y todas las de bioetanol se hace por carretera porque no pueden compartir los oleoductos que se utilizan para los carburantes convencionales, ya que podrían alterar la calidad de otros productos. Por eso, las mezclas etiquetadas de biodiésel y todas las de bioetanol se mezclan en los camiones que las transportan desde las plantas de almacenamiento de las operadoras logísticas a las estaciones de servicio. El transporte por oleoducto es más eficiente que por carretera, pero un oleoducto para el bioetanol requeriría uso exclusivo, algo que no tiene sentido atendiendo a la rentabilidad.

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Introducción La controversia en torno a la sostenibilidad de los biocombustibles es otro escollo a salvar. La Directiva de 2009 garantiza, sin embargo, que no podrán utilizarse en la UE biocarburantes que no disminuyan como mínimo en un 35% las emisiones de gases de efecto invernadero respecto a los combustibles fósiles, además de otras cláusulas respecto al uso de la tierra y la preservación del medioambiente.

1.1. Requisitos para la nueva generación de biocarburantes A corto/medio plazo, los biocarburantes similares a los actuales basados en carbono, son la solución más inmediata y realista. Para ser una alternativa coherente los biocarburantes han de satisfacer una serie de criterios, como pueden ser: -

Disponibilidad de recursos/materias primas para su producción. Seguridad de suministro/diversificación de esos recursos. Bajas emisiones GEI de toda la cadena (WTW). Bajas emisiones locales (especialmente en zonas de tráfico intenso). Infraestructura de distribución existente. Complejidad del vehiculo: motor, tamaño depósito. Eficiencia energética WTW (MJ/100 km). Rendimiento por ha de cultivo (km/ha). Coste de producción/coste de GEI evitado. Flexibilidad de uso tipo de motor, puro o mezcla, pila combustible. Aceptación social, seguridad uso, toxicidad. Empleo rural

Los biocarburantes de primera generación no satisfacen plenamente los requisitos anteriores. Principalmente: -

Disponibilidad de recursos: Competición sector alimenticio. Bajas producciones por ha (excepto de caña de azúcar en Brasil). Baja eficiencia WTW. Elevado cotes (€/l y €/tn GEI) (excepto de caña de azúcar en Brasil). Emisiones GEI no muy bajas.

Es por ello que cada día se avanza más en el desarrollo de los biocarburantes de 2ª y 3ª generación. A continuación se incluye un gráfico (Fig. 1.1) en el que se muestran distintas rutas para la producción de los distintos tipos de biocombustibles líquidos:

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Introducción

Fig. 1.1: Esquema de las distintas rutas para la producción de biocombustibles líquidos e hidrógeno gaseosos a partir de biomasa. [40].

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

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

Tabla 1.1: Escenario macroeconómico, tendencias del transporte y sus emisiones. [40]

Como muestra la comparativa, España presenta los mayores ritmos de crecimiento de las emisiones en el sector transporte, en los pasajeros por kilómetro, en el transporte de mercancías, etc. De hecho, esto es así si comparamos España con la gran mayoría de los países de la OCDE, por lo que podemos tomar su experiencia para narrar la amenaza.

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

Fig. 1.2: Estado del desarrollo de cada una de las tecnologías dentro de las empleadas para la producción de biocombustibles. [40]

En este trabajo se evaluarán estas y otras cuestiones de ineludible interés a la hora de concretar las posibilidades reales y la potencialidad de los biocarburantes como energía renovable en el futuro.

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Biocarburantes

2. Biocarburantes

2.1. Concepto Atendiendo al origen de término y las definiciones de la RAE: - Combustible (de combusto): adj. Que puede arder. adj. Que arde con facilidad. m. Leña, carbón, petróleo, etc., que se usa en las cocinas, chimeneas, hornos, fraguas y máquinas cuyo agente es el fuego. - Carburante (del ant. part. act. de carburar): m. Mezcla de hidrocarburos que se emplea en los motores de explosión y de combustión interna. Añadiendo el prefijo "bio-" de forma restrictiva: - Biocombustible: Cualquier combustible de origen biológico no fosilizado. - Biocarburante: Un subgrupo de los biocombustibles, caracterizados por la posibilidad de aplicación a los actuales motores de combustión interna. Según la Directiva 2009/28/CE, en su artículo 2: “Biocarburante: un combustible líquido o gaseoso utilizado para el transporte, producido a partir de la biomasa.” Estos combustibles de origen biológico pueden sustituir parte del consumo en combustibles fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón. Los biocarburantes más usados y desarrollados son el bioetanol y el biodiesel: - El bioetanol, también llamado etanol de biomasa, se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar, remolacha o de algunos cereales como trigo o cebada. En 2006, Estados Unidos fue el principal productor de bioetanol (36% de la producción mundial), Brasil representaba el 33,3%, China el 7,5%, la India el 3,7%, Francia el 1,9% y Alemania el 1,5%. La producción total de 2006 alcanzó 55.000 millones de litros [54]. - El biodiésel, se fabrica a partir de aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. En este último caso se suele usar raps, canola, soja o jatrofa, los cuales son cultivados para este propósito. Francisco Cabello Pérez

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Biocarburantes

Otras alternativas, como el biopropanol o el biobutanol, son menos populares, pero no pierde importancia la investigación en estas áreas debido al alto precio de los combustibles fósiles y su posible agotamiento. En base a la normativa comunitaria se considerarán biocarburantes al menos los productos enumerados a continuación: - Bioetanol: Etanol producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa o de la fracción biodegradable de los residuos. - Biodiésel: Éster metílico producido a partir de un aceite vegetal o animal de calidad similar al gasóleo, para su uso como biocarburante. - Biogás: Combustible gaseoso producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos y que puede ser purificado hasta alcanzar una calidad similar a la del gas natural, para uso como biocarburante, o gas de madera. - Biometanol: Metanol producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa. - Biodimetiléter: Dimetiléter producido, para uso como biocarburante, a partir de la biomasa. - BioETBE (etil ter-butil éter): ETBE producido a partir del bioetanol. La fracción volumétrica de bioETBE que se computa como biocarburante es del 47 %. - BioMTBE (metil ter-butil éter): Combustible producido a partir del biometanol. La fracción volumétrica de bioMTBE que se computa como biocarburante es del 36 %. - Biocarburantes sintéticos: Hidrocarburos sintéticos o sus mezclas, producidos a partir de la biomasa. - Biohidrógeno: Hidrógeno producido a partir de la biomasa y/o a partir de la fracción biodegradable de los residuos para su uso como biocarburante. - Aceite vegetal puro: Aceite obtenido a partir de plantas oleaginosas mediante presión, extracción o procedimiento comparable; crudo o refinado, pero sin modificación química, cuando su uso sea compatible con el tipo de motor y las exigencias correspondientes en materia de emisiones.

2.2. Aspectos positivos y negativos de los biocarburantes 2.2.1.

Aspectos positivos

Las ventajas de los biocarburantes con respecto los carburantes fósiles son varias. Los beneficios medioambientales asociados al consumo de biocarburantes han sido documentados y demostrados por entidades reconocidas a nivel mundial, como son el Panel Internacional contra el Cambio Climático (IPCC) de la ONU , la Agencia Internacional de la Energía (AIE), CONCAWE, CIEMAT o la misma Comisión Europea. Entre estos beneficios, destacan particularmente la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), la disminución de la contaminación atmosférica y la mejora de la eficiencia energética (Fig. 2.1).

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

Fig. 2.1: Emisiones en el ciclo de vida de los biocarburantes. [54]

Resumiendo algunos de los puntos positivos: -

Disminuyen la dependencia exterior del petróleo. Se obtiene experiencia en producción de biocarburantes. Se pueden crear puestos de trabajo. Se obtiene reconocimiento como país verde.

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Biocarburantes -

Mejoran el ambiente reduciendo emisión de gases peligrosos y contaminantes. Pocas complicaciones mecánicas para el uso de biocombustibles. Fuente alternativa de energía. Hace más rentable y diversificada la producción agrícola. Utilización de subproductos para otros usos. Promueve la creación de empresas nacionales. Mejora rentabilidad de los cultivos. Se logra una mayor conciencia del uso de los recursos naturales. Sustitución del MTBE como oxigenante. Mayor versatilidad económica y energética para la industria agrícola. Reducción de huella ecológica del país. Utilización de la capacidad instalada actual. No presenta impactos alimentarios. No daña ni requiere modificación a vehículos (caso E5/E10). Mejora la vida del suelo. Son compuestos exentos de azufre.

Fig. 2.2: Comparativa de emisiones de diferentes carburantes. [36]

2.2.2.

Aspectos negativos

Su elevado coste de producción, mucho mayor que el de los carburantes procedentes del petróleo, hace que en la actualidad sea imposible producir biocarburantes de forma competitiva sin la existencia de subvenciones y exenciones de impuestos de los Gobiernos. Según datos de la Comisión Europea se calcula que la producción de bioetanol es rentable a partir de un precio del crudo de 90$/barril. En el caso del biodiesel a partir de 60$/barril [9].

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Biocarburantes El cultivo desordenado que puede afectar a los precios de alimentos para el consumo humano. La deforestación de zonas sensibles si el cultivo no se realiza con criterios de sostenibilidad. Para bioetanol: Presenta un consumo (litros/100 Km.) un 40% superior al de la gasolina. Problemas para el almacenamiento y transporte, que tienen como origen su elevada solubilidad en agua, así como sus poderes disolventes y decapantes, características todas ellas que exigen manejarlo en condiciones de máxima estanqueidad, así como un tratamiento específico de los espacios contenedores. Es más volátil que la gasolina, pudiendo emitir más COVs durante su fabricación y manejo [9]. Para biodiesel: En el caso del biodiesel, no presenta problemas importantes para su almacenamiento y transporte en instalaciones convencionales, salvo los derivados de su tendencia a la oxidación, superior a la del gasóleo convencional, lo que supone que convenga consumirlo lo antes posible desde su producción, o recurrir a aditivos conservantes que suponen un coste adicional. La mayor densidad del biodiesel con respecto al gasóleo puede presentar problemas en los actuales sistemas de inyección de los motores. Además, a bajas temperaturas, puede presentar problemas de congelación. Resumiendo algunos de los puntos negativos son: -

Cambio de uso de tierra para producir biocombustibles. Baja voluntad política para generalizar el uso de los biocombustibles. Se produce degradación del suelo. Trasformación de ecosistemas naturales a ecosistemas productivos. Falta de conciencia social en el desarrollo de biocombustibles. El etanol no se usa localmente (se exporta en muchas ocasiones). Desconocimiento de la población del uso y beneficios del etanol. Falta definición clara del impacto de la producción de biocombustibles en la producción de alimentos para la población. No hay una definición de la eficiencia del proceso. No se tiene en cuenta la oferta y la demanda. Necesidad de iniciativa de la industria en buscar la optimización energética. Se disminuye beneficio de los que importan combustibles.

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Biocarburantes

2.3. Bioetanol y biodiésel: Particularidades 2.3.1.

Biodiésel

El biodiésel es un biocarburante líquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soja las materias primas más utilizadas para este fin. Las propiedades del biodiésel son prácticamente las mismas que las del gasóleo de automoción en cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiésel puede mezclarse con el gasoleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente. La definición de biodiésel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard) lo describe como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignición de compresión. Sin embargo, los ésteres más utilizados son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificación de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificación de los ácidos grasos) debido a su bajo coste y sus ventajas químicas y físicas. A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima. Esto es la causa de que sea preciso tener en cuenta las características de los mercados agrícolas, junto a la complejidad que ya de por sí presentan los mercados energéticos. En este sentido, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente. Al asegurar la existencia de una demanda de biocarburantes, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse para potenciar otras políticas como la agrícola, favoreciendo la creación de empleo en el sector primario, la fijación de población en el ámbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrícolas, y reduciendo a la vez los efectos de la desertización gracias a la plantación de cultivos energéticos. En cuanto a la utilización del biodiésel como combustible de automoción, ha de señalarse que las características de los ésteres son más parecidas a las del gasóleo que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del éster es dos veces superior a la del gasóleo, mientras que la del aceite crudo es diez mayor aproximadamente (tabla 2.2 y 2.3); además el índice de cetano de los ésteres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento. 2.3.1.1.

Materias primas para la producción de biodiésel

Las materias primas más comunes utilizadas en España para la fabricación de biodiésel son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol (el contenido medio del girasol en aceite es de 44% por lo que en España será la mejor opción en cuanto a agricultura energética). También se están realizando pruebas con aceite de colza y con Brassica carinata. Francisco Cabello Pérez

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Biocarburantes Tanto en España como a nivel internacional, se puede decir que la producción de biodiésel tiende a provenir mayoritariamente de los aceites extraídos de plantas oleaginosas, especialmente girasol (en España e Italia) y colza (en países de Centroeuropa). Las oleaginosas se importan a Europa para obtener la proteína y luego los aceites son reexportados fuera de la UE. La utilización de los mismos en la fabricación de biodiésel daría salida interior a dicho producto, evitando la reexportación. Cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la producción de biodiésel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo de vaca,...). A continuación se detallan las principales materias primas para la elaboración de biodiesel: Aceites vegetales convencionales: -

Aceite de girasol Aceite de colza Aceite de soja Aceite de coco Aceite de palma

Aceites vegetales alternativos: -

Aceite de Brassica carinata Aceite de Cynara curdunculus Aceite de Camelina sativa Aceite de Crambe abyssinica Aceite de Pogianus Aceite de Jatropha curcas

Aceites de semillas modificadas genéticamente: - Aceite de girasol de alto oleico (mayor contenido en ácido oleico). Grasas animales: - Sebo de vaca - Sebo de búfalo Aceites de fritura usados Aceites de otras fuentes - Aceites de producciones microbianas - Aceites de microalgas

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Biocarburantes 2.3.1.2.

Características Físico-Químicas

Seguidamente se expone una tabla (tabla 2.1) con múltiples propiedades del biodiesel:

Tabla 2.1: Propiedades del biodiesel. [39]

También se muestran a continuación dos tablas (Tabla 2.2 y Tabla 2.3) con la comparación entre distintos tipos de biodiesel y el gasóleo convencional:

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Biocarburantes

Tabla 2.2: Diferencias entre las propiedades del gasóleo, aceites vegetales y biodiesel. [39]

CARACTERÍSTICAS DEL ACEITE DE COLZA Y GIRASOL Y DE SUS ÉSTERES METÍLICOS EN COMPARACIÓN CON EL GASÓLEO DE AUTOMOCIÓN ACEITE de CARACTERÍSTICA

ÉSTER ETÍLICO DE

GASÓLEO

COLZA

GIRASOL

COLZA

GIRASOL

Densidad (g/cm3)

0.916

0.924

0.880

0.880

0.835

PCS específico (MJ/L)

37.2

36.5

-

35.3

38.4

PCI específico (MJ/L)

34.30

34.14

33.10

33.04

35.40

Viscosidad mm2/s (20 °C)

77.8

65.8

7.5

8.0

5.1

Viscosidad mm2/s (50 °C)

25.7

34.9

3.8

4.2

2.6

44/51

33

52-56

45/51

>45

0.25

0.42

0.02

0.05

0.15

0.0001

0.01

0.002

0.01

0.29

Nº de Cetano Residuo carbono % Azufre %

Tabla 2.3: Características del aceite de colza y girasol y de sus ésteres metílicos en comparación con el gasóleo de automoción. [36]

2.3.2.

Bioetanol

El alcohol etílico o etanol es un producto químico obtenido a partir de la fermentación de los azucares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales, remolacha, caña de azúcar o biomasa. Estos azúcares están combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Las plantas crecen gracias al proceso de fotosíntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes de la tierra forman moléculas orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa, que se concentra en la parte fibrosa la planta.

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Biocarburantes Actualmente, el bioetanol es el biocombustible con mayor producción mundial, del que se elaboraron más de 40.000 millones de litros durante el año 2004 en todo el mundo. Para su fabricación se pueden utilizar una gran cantidad de materias primas. Brasil produjo 15.066 millones de litros, principalmente de caña de azúcar, EE.UU. 13.351 millones de litros, procedentes del almidón del maíz, por resaltar los dos mayores productores, pero también se utiliza remolacha, cereal o residuos forestales. Se está estudiando la posibilidad de cultivar árboles, con alto contenido de celulosa, con el único fin de producir etanol, como pueden ser el chopo o el sauce. Igualmente el cultivo específico de algunas plantas con el fin de producir combustible podría ser una alternativa a las tierras sin cultivo, en el marco de la Política Agraria Común (PAC). Otra alternativa a las cosechas dedicadas a fines energéticos, es el uso de residuos de procesos agrícolas, forestales o industriales, con alto contenido en biomasa. Estos residuos pueden ir desde la paja de cereal a las “limpias” forestales, pasando por los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) o las cáscaras de cereal o de arroz. Los residuos tienen la ventaja de su bajo coste, ya que son la parte no necesaria de otros productos o procesos, salvo cuando son utilizados en la alimentación del ganado. Los RSU tienen un alto contenido en materia orgánica, como papel o madera, que los hace una potencial fuente de materia prima, aunque debido a su diversa procedencia pueden contener otros materiales cuyo preproceso de separación incremente mucho el precio de la obtención del bioalcohol. La utilización del etanol como combustible ha pasado por varias etapas a través de los años. En los origines de la industria automovilística fue el principal combustible: los motores de ciclo Otto se diseñaron en principio para utilizarlo, pero posteriormente con el desarrollo de la industria basada en el petróleo los fabricantes de motores se decantaron por esta segunda opción. Cuando se temió por la estabilidad de estos mercados en los años 20 y el posterior embargo petrolífero del año 1973 se volvió a invertir en el desarrollo de bioetanol. El primer país que asumió este reto fue Brasil que a partir de ese año comenzó a mezclar etanol y gasolina en la proporción de 22:78. En 1979 Brasil produjo los primeros automóviles que podían funcionar con alcohol hidratado (95% de etanol y 5% de agua), más tarde, en 1980 la mayor parte de los coches fabricados estaban diseñados para funcionar exclusivamente con etanol. Hasta los años 80 la principal motivación para la producción de etanol fue su uso como combustible alternativo para la automoción, y así disminuir la dependencia de las importaciones de crudo y minimizar el impacto que las fluctuaciones del mercado ocasionan en los precios. A partir de mediados de los 80, a esta motivación se ha unido las políticas de mejoras medioambientales, principalmente en lo relativo a emisiones gaseosas. El creciente interés que han generado en los últimos años los problemas derivados del cambio climático, producido por las emisiones de gases de “efecto invernadero”, ha hecho que se busquen combustibles más respetuosos con el medio ambiente. Al igual que en el caso del biodiésel, la combustión del bioetanol produce el mismo CO2 que absorbió la planta durante su crecimiento, si se exceptúa el emitido debido a la actividad energética necesaria en el proceso de su producción, por lo que algunos autores dicen que el balance es cero, en cuanto a las emisiones de CO2. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales. Un obstáculo importante es la legislación europea sobre la volatilidad de las gasolinas que fija la Francisco Cabello Pérez

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Biocarburantes proporción de etanol en mezclas E5. Concentraciones más elevadas, autorizadas en Suecia y Estados Unidos, permitirían disponer de un vehículo flexible, con un depósito, motor y sistema de combustible único capaz de funcionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquier proporción. La otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina como etil-tercbutil éter (ETBE). 2.3.2.1.

Características Físico-Químicas

A continuación se expone una tabla (Tabla 2.4) con las características más destacadas del bioetanol y el ETBE, y una comparación con la gasolina convencional: CARACTERÍSTICAS COMPARADAS DEL BIOETANOL Y LA GASOLINA CARACTERÍSTICA

UNIDAD

GASOLINA 0.75

ETANOL ANHIDRO 0.79

ETANOL HIDRATADO 0.81

Densidad

Kg/L

Volatilidad Relación estequiométrica máxima Calor latente de vaporización Índice de octano

ETBE 0.74

Kg/cm2

0.75

1.52

1.18

0.34

Aire/Comb.

15.2

-

8.3

-

KJ/Kg

376

903

1141

-

IOM

85

89

92

102

Índice de octano

IOR

95

106

110

118

Auto ignición

°C

367

550

560

570

PCI

KJ/Kg

42900

26800

24900

36000

Tabla 2.4: Características comparadas del bioetanol y la gasolina. [38]

2.4. Diesel FT y DME 2.4.1.

Diesel FT

El proceso Fischer-Trospch fue desarrollado por los químicos alemanes Franz Fischer y Hans Tropsch entre 1920 y 1925, en el instituto de Investigación del carbón en Mulheim an der Ruhr (Alemania). El proceso implica la gasificación previa del carbón por oxidación parcial utilizando oxigeno como oxidante y vapor de agua como moderador a altas temperaturas, aproximadamente 1100 K, se obtiene así una mezcla de H2 y CO, gas de síntesis, de fácil separación de las partículas sólidas y gases ácidos. La relación molar del gas de síntesis está determinada por las proporciones de oxidante y moderador utilizadas. La posibilidad de utilizar mezclas de carbón y biomasa residual o residuos orgánicos, como fuente de carbono, permite desarrollar procesos de carácter cada vez más neutros con respecto al CO2 atmosférico, al mismo tiempo que no compite con la alimentación. En una segunda etapa el gas de síntesis se transforma mediante un proceso catalítico, Co o Fe sobre sílice, 450-650 K, 15-40 bar, casi exclusivamente en parafinas y olefinas lineales, Francisco Cabello Pérez

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Biocarburantes mediante un mecanismo en cadena, en el que la probabilidad de crecimiento de la cadena es prácticamente independiente de su tamaño, obteniéndose una distribución de tamaños próxima a la distribución de Anderson-Schulz-Flory. Las probabilidades de crecimiento de la cadena encontradas de 0.85-0.95 determinan un peso molecular medio de C10-C20 que constituye un combustible diesel muy puro y de excelente calidad (número de cetano) dado su carácter lineal. Mediante hidrocraqueo o reformado catalítico de los productos de la síntesis FT pueden obtenerse combustibles diesel o keroseno adecuados para el transporte comercial terrestre, marítimo y aéreo, dada su elevada densidad energética. A continuación se detallan algunas de las propiedades y aplicaciones del Diesel FT como carburante: - En la actualidad la tecnología desarrollada por las compañías Sasol y Shell utilizada en varias plantas en Sudáfrica, de carbón de baja calidad (Coal to liquids) y de gas natural (Gas to liquids) en Malasia y Qatar. - Composición parafínica (-CH2-) con máximo contenido en H2. - Tiene un alto índice de cetano y se puede mezclar en cualquier proporción con diesel convencional. Es un combustible con fácil salida al mercado. - Puede ser usado en los motores actuales sin requerir modificación alguna. - Menor contenido en aromáticos y menor temperatura de autoignición que diesel fósil, produce menos partículas y NOx. - Muy apropiado para reformadores “on board” en vehículos con PC debido a que no contiene azufre (veneno catalizador PC). Con esto además, respeta de forma natural las duras reglamentaciones en vigor en Europa.

2.4.2.

DME

En cuanto al dimetiléter (H3C-O-CH3, metoximetano, oxibismetano, metil éter o simplemente como DME) se le está prestando cada vez más atención como combustible limpio, debido a la existencia en todo el mundo de serios problemas con la contaminación del aire y por las limitadas reservas de petróleo. Se obtiene fundamentalmente de carbón o de gas natural. Es el más simple de todos los éteres, incoloro, no corrosivo, compuesto orgánico volátil, no cancerígeno, no teratogénico, no mutagénico y no tóxico. Es usado en la industria para la producción de valiosos compuestos orgánicos (dimetil sulfato, acetato de metilo y olefinas ligeras) sustituyendo a los denominados compuestos CFCs (clorofluorocarbonos), gases perjudiciales para la capa de ozono de la atmósfera. El DME puede ser empleado como combustible en automoción como sustituto del diesel. Presenta un elevado número de cetanos (55-65), superior al de los combustibles diesel convencionales (40- 55) y también al del metanol, y una elevada volatilidad, cero contenido en sulfuros, bajas emisiones en NOx, hidrocarburos y CO, mínima generación de humos y reduce el ruido del motor. El DME también puede ser utilizado como combustible de elevada calidad en hogares familiares en lugar del gas licuado de petróleo (LPG), ya que tiene propiedades físicas similares. También puede ser utilizado como combustible en turbinas de

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Biocarburantes gas para generación de energía, como fuente de H2 para pilas de combustible o como materia prima para la fabricación de otros productos químicos derivados. En los últimos años ha crecido la demanda de DME, especialmente en China, con una capacidad de producción anual en 2007 superior a 1.5 millones de toneladas/año. La capacidad de producción anual en 2010 se estimó en 15 millones de toneladas. Mayoritariamente, la producción de DME se realiza a partir de syngas en dos etapas: -

Síntesis de metanol por medio del gas de síntesis (CO/H2 obtenido por reformado de CH4 con vapor de agua, gasificación de carbón) sobre catalizadores Cu-ZnO-Al2O3. Deshidratación del metanol empleando catalizadores ácidos porosos tales como zeolitas, sílices-alúminas, alúmina (y-Al2O3).

Los dos procesos tienen lugar a temperaturas similares en el rango de (250 -400 ºC). La conversión de metanol es del 70-85 % dependiendo de la temperatura y del contenido de agua en el reactor. Sin embargo también se puede obtener DME directamente del gas de síntesis en un único reactor mediante un proceso de una sola etapa, proceso conocido como (STD), empleando catalizadores bifuncionales basados en compuestos de cobre, es decir, catalizadores híbridos con dos tipos de centros activos, uno para la formación del metanol y el otro para la deshidratación del metanol formado. Se muestra el esquema del proceso convencional de producción industrial de DME a partir de syngas (Fig. 2.3) y se presentan las reacciones que tienen lugar en dicho proceso (Fig. 2.4):

Fig. 2.3: Proceso tradicional de obtención de DME. [64]

La hidrogenación de CO2, la reacción “water gas shift” y la hidrogenación de CO son las principales reacciones cinéticas para la deshidratación de metanol a DME:

Fig. 2.4: Reacciones cinéticas de obtención de DME. [64]

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Biocarburantes Propiedades como carburante El dimetil-éter tiene un ratio de expansión térmica elevado, que implica reservar un porcentaje del volumen de almacenaje para compensar las expansiones debidas a las fluctuaciones de temperaturas. También tiene una compresibilidad mayor, incluso en estado líquido, que otros combustibles como el gasóleo. Las diferencias entre el gasóleo y el DME son, que la densidad del DME en estado líquido es un 80% a la del gasóleo y la energía específica cerca del 70%. Por tanto, significa que se debe inyectar casi el doble del volumen para obtener la misma potencia de salida. El DME es más inflamable que el gasóleo debido a las menores temperaturas del punto flash y autoignición, por lo que requerirá mayores precauciones de seguridad. Además el DME tiene una conductividad eléctrica baja. Como medida de seguridad, los componentes pertenecientes al suministro de combustible deberían estar comunicados eléctricamente y conectados a tierra para prevenir que se carguen electro-estáticamente. Esta electricidad puede derivar en descargas eléctricas en forma de chispas que provocan una situación de fuego. Uno de los mayores inconvenientes del DME es su baja viscosidad y lubricidad, que provocan un mayor desgaste en las piezas que conforman el sistema de inyección, hasta la aparición de fugas de combustible. Además es crítico por las fugas que se producen por los inyectores del motor; este hecho se debe a su estado gaseoso y también por el desgaste producido por el paso del mismo combustible creando más holguras. La relación aire-combustible estequiométrica es menor que en el gasóleo debido al oxígeno que contiene. Los límites de inflamabilidad son del 3.4% hasta el 17%, un rango amplio de valores, que permite trabajar el motor con mezclas pobres para reducir el consumo de combustible. Otras de las propiedades y aplicaciones del DME como carburante: -

Éter más simple (H3C-O-CH3) no tiene enlaces C-C y no produce partículas en motor diesel. Gas a presión atmosférica y temperatura ambiente. Líquido a 5 bar ó -22ºC. No corroe los metales pero puede degradar ciertos plásticos. Con pequeños adaptaciones del motor puede usarse mezclado con diesel (10 ó 20%), con LPG (cualquier proporción) o puro. Se puede reformar tan fácilmente como el metanol y por ello tiene un gran potencial como portador de H2 en vehículos con PC. Al ser más denso que el aire problema en garajes (igual que LPG).

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Tecnologías de producción

3. Tecnologías de producción

3.1. Actuales (1G) 3.1.1.

Producción de biodiésel

3.1.1.1.

Reacciones en la producción de biodiésel Reacciones de trasesterificación de triglicéridos

Aunque la esterificación es un proceso posible, sin embargo el método utilizado comercialmente para la obtención de biodiésel es la transesterificación (también llamada alcohólisis). Se basa en la reacción de moléculas de triglicéridos (el número de átomos de las cadenas está comprendido entre 15 y 23, siendo el más habitual de 18) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir ésteres y glicerina (que puede ser utilizada en cosmética, alimentación, farmacia, etc.). La reacción de transesterificación (Fig. 3.1) se desarrolla en una proporción molar de alcohol a triglicérido de 3 a 1, reaccionando en la metanólisis 1 mol de triglicérido con 3 moles de alcohol (aunque se añade una cantidad adicional de alcohol para desplazar la reacción hacia la formación del éster metílico). El triglicérido es el principal componente del aceite vegetal o la grasa animal. Además, la formación de la base de la glicerina, inmiscible con los ésteres metílicos, juega un papel importante en el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, alcanzándose conversiones cercanas al 100%.

Fig. 3.1: Reacción de transesterificación. [39]

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Tecnologías de producción En la siguiente gráfica (Fig. 3.2) se presentan las diferentes reacciones que tienen lugar en la transesterificación, la cual consiste químicamente en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En cada reacción un mol de éster metílico es liberado:

Fig. 3.2: Reacciones implicadas en la transesterificación. [39]

En la reacción de transesterificación se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reacción y el rendimiento final, ya que sin él no sería posible esta reacción. Los catalizadores pueden ser ácidos homogéneos (H2SO4, HCl, H3PO4, R-SO3), ácidos heterogéneos (Zeolitas, Resinas Sulfónicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2), básicos heterogéneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), básicos homogéneos (KOH, NaOH) o enzimáticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas); de todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogéneos básicos ya que actúan mucho más rápido y además permiten operar en condiciones moderadas. En el caso de la reacción de transesterificación, cuando se utiliza un catalizador ácido se requieren condiciones de temperaturas elevadas y tiempos de reacción largos, por ello es frecuente la utilización de derivados de ácidos más activos. Sin embargo, la utilización de álcalis, que como se ha comentado es la opción más utilizada a escala industrial, implica que los glicéridos y el alcohol deben ser anhidros (