pag xx xx Combustibles alternat

22/8/03

08:20

Página 46

Buscando combustibles alternativos: el bioetanol

Susana Ortiz Marcos

Doctor Ingeniero Industrial, de la especialidad de Organización Industrial por la E.T.S. Ingenieros Industriales de Madrid (UPM) Promoción 1968

46

Introducción La utilización del etanol como carburante para automoción, comienza en los mismos orígenes del automóvil. Los excedentes de etanol que había a finales del siglo XIX en Europa y el aún escaso desarrollo de la industria petroquímica, incitaban a su utilización en los motores que se empiezan a desarrollar en esos años. En Francia, las primeras experiencias fueron llevadas a cabo por Ringelmann, financiadas por la Sociedad Agrícola de Meaux. En 1903 un coche Gobron-Brillié alimentado con etanol alcanzó la velocidad de 177 km/h, ganando a uno de gasolina que sólo llegó a 136 km/h y en 1907 los autobuses de París habían recorrido cerca de 4 millones de kilómetros. En Francia, tras la Segunda Guerra Mundial, el etanol fue considerado como una materia prima indispensable. Las desgravaciones fiscales (1920) y la obligación de los importadores de petróleo de adquirir al estado una cantidad mínima igual al 10% de la gasolina importada (1923), crearon un mercado artificial de etanol. Durante el período 1930-1945 el etanol es considerado en Francia como

anales de mecánica y electricidad / julio-agosto 2003

una actividad prioritaria, llegando a su punto más álgido en1936 con un parque de dos millones de vehículos que consumieron 2,5 Mt de gasolina que contenía cerca del 12% en masa de etanol (un 8% en energía), siendo el etanol aplicado en automoción el 75% de la producción. Durante la segunda guerra mundial, países escasos en petróleo como Alemania, desarrollaron fuertemente la tecnología de producción de etanol y metanol. Los alemanes F. Fischer y H.Tropsch informaron acerca de la síntesis de hidrocarburos alifáticos por la mezcla de carbón, monóxido de carbono e hidrógeno, en 1925. Desarrollos continuos de procesos y equipos, tuvo como resultado 7 plantas de hidrolicuefacción en Alemania, en el año 1939, con una capacidad aproximada de 1.350.000 toneladas métricas por año de producto líquido. En 1945, el número de plantas de hidrolicuefacción en Alemania había crecido a 18 con una capacidad superior a los 4 millones de toneladas métricas por año. Paralelamente, el desarrollo tecnológico del proceso FischerTropsch logró la construcción de la primera planta comercial en 1936. En el año 1939,

pag xx xx Combustibles alternat

22/8/03

08:20

existían 9 plantas utilizando este proceso en Alemania, alcanzándose una capacidad del orden de 750.000 toneladas métricas por año de productos líquidos. Después de la segunda guerra mundial, el gran desarrollo experimentado por la industria petroquímica hacen que el litro de etanol se ponga a precios seis veces más altos que el de la gasolina, con un poder calorífico (por litro) del 65%. El carácter cíclico de la producción agrícola, que lo hace estar muy subvencionado, junto a la relativa estabilidad del mercado del petróleo (hasta 1973), hace que hacia 1950 el etanol mezclado en la gasolina tienda a disminuir desapareciendo en Francia y en el resto de Europa prácticamente hacia 1958. Debido a la relativa estabilización del mercado del petróleo, disminuyó el interés por los carburantes alternativos, por cuestiones exclusivamente de seguridad de suministro. Sin embargo, la preocupación a nivel mundial por el calentamiento del planeta, las emisiones de gases con efecto invernadero y las emisiones de contaminantes, en zonas urbanas principalmente, ha despertado nuevamente ese interés. En Europa se ha optado por oxigenar las gasolinas con productos derivados de los alcoholes, como son el MTBE (metil-terbutileter) o el ETBE (Etil-terbutileter) para eliminar los aditivos con plomo Ambos son obtenidos por reacción química de síntesis del alcohol (metanol o etanol) con el isobuteno, todos estos productos obtenidos en los procesos de cracking en las refinerías: Isobuteno + metanol ➛ MTBE Isobuento + etanol ➛ ETBE Ambos éteres son sustituibles entre sí en la formulación de las gasolinas, si bien el ETBE presenta ciertas ventajas como son un mayor PCS (poder calorífico superior), un mayor índice de octano y una menor presión de vapor frente al MTBE. Además hay una menor volatilidad de las mezclas gasolina-ETBE y menores emisiones de compuestos tóxicos. El ETBE puede producirse en las actuales plantas de fabricación de MTBE con ligeras modificaciones de los equipos industriales que permiten dotar a las plantas de un carácter reversible. Aún así, ambos componentes son muy válidos por su elevado índice de octano y por contribuir favorablemente al cumplimiento de las especificaciones medioambientales de calidad de las gasolinas.

Página 47

Planteamiento del problema El momento actual de los biocarburantes está relacionado con la situación del sector agrario, afectado por la Política Agraria Común y otras reglamentaciones relativas a la producción y comercialización de productos agrícolas (GATT, Acuerdos de Blair House). En esencia, estas reglamentaciones tienden a reducir la producción agroalimentaria, con el fin de limitar la producción de excedentes de determinados productos y reducir el presupuesto agrario comunitario. En este contexto, la PAC propone retirar del uso agroalimentario una parte de las tierras cultivables, en proporciones que pueden variar anualmente. La producción de materia prima vegetal para biocarburantes surge así como posibilidad de mantener en producción (con la siguiente generación de ingresos) las tierras retiradas de la producción agroalimentaria. Las principales ventajas que conllevaría la utilización, en esta primera etapa, de especies agrícolas “convencionales” como el trigo, la cebada, el girasol o la colza, con fines energéticos serían: • La utilización de especies cuyas técnicas de cultivo son profundamente conocidas por los agricultores. • La posibilidad de destinar los mismos medios de producción que en las explotaciones destinadas a fines alimentarios, pudiéndose simultanear las actividades de ambas partes de la explotación. Además de las motivaciones agrícolas, existen otros puntos de interés relacionados con los biocarburantes como pueden ser: • Los biocarburantes son combustibles biodegradables cuyo ciclo de vida de emisiones de gases de efecto invernadero tiene un balance prácticamente nulo. • Al tratarse de un recurso energético local mejora considerablemente las posibilidades de autoabastecimiento energético. • La introducción de cierto tipo de biocarburantes no requiere la realización de infraestructuras, al poderse utilizar las ya existentes. En el caso de ser necesarias modificaciones en las infraestructuras éstas son siempre de pequeño alcance. • En las escalas actualmente previstas (utilización de cultivos procedentes de tierras de retirada o cultivos marginales), no se producen alteraciones significativas en los mercados energéticos. El interés del mercado por los biocombustibles puede acrecentarse en el futuro por el Buscando combustibles alternativos: el bioetanol

47

pag xx xx Combustibles alternat

22/8/03

08:20

Página 48

desarrollo de cultivos poco frecuentes, que hasta el momento actual no presentaban interés y no se han cultivado masivamente. Este tipo de cultivos, la pataca, los helechos, las chumberas, los cardos, etc., puede permitir una alta producción de biomasa a costes relativamente bajos. Obtención del bioetanol

Para la obtención del bioetanol, se puede utilizar como materia prima jugos azucarados (mostos de uva, azúcares de caña o remolacha), productos amiláceos por hidrólisis del almidón (por ejemplo de cereales), o a par tir de celulosas presentes en los vegetales. Las soluciones tecnológicas industriales para la obtención del bioetanol se pueden clasificar de la siguiente forma: • Tecnologías basadas en el uso de cereales, distinguiendo entre molienda seca y molienda húmeda. • Tecnologías basadas en el uso de jugos azucarados, distinguiéndose el procedimiento de rotura de las cadenas de polisacáridos, previo a la fermentación, según una hidrólisis

Proceso de obtención del bioetanol

2. Molienda de grano

1. Impurezas

Harina 3.Tanque de grano Harina + agua + algunas enzimas y 4.Tanque de mezcla Adición de vapor 5. Licuefacción Sacarificación 6. Propagación de levaduras

Mosto 7. Fermentación CO2

Mosto fermentado

8. Destilación Vinaza Vinazas claras

Vapor 9. Clarificación de vinazas

11. Evaporación

10. Deshidratación

Bioetanol 12. Secado

13. Peletización

48

anales de mecánica y electricidad / julio-agosto 2003

DDGS: Dried Distiller’s and Solubles (Granos de Destilería Solubles)

ácida o enzimática. La tendencia es el uso de enzimas, dados los ahorros térmicos y de inversión, por no ser necesarios los recipientes a presión y la facilidad de controlar el proceso. El 40% del etanol producido en el mundo se obtiene a par tir de cereales, las nuevas plantas construidas en los últimos 5 años utilizan sólo esta materia prima con unos índices de conversión elevados, del orden, respectivamente, del 96% y del 90%. La opción española de producción industrial de bioetanol se ha concretado en la utilización de cereal (trigo y cebada) como materia prima básica, con posibilidad de utilizar los excedentes de la industria remolachera transformados en jugos azucarados de bajo costo, así como los excedentes vinícolas subastados en Bruselas. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

El primer paso del proceso de producción consiste en la separación de las impurezas del grano (1) para pasar a continuación a su molienda (2) y formar una harina. Dicha harina va al tanque de grano (3) desde donde, junto con agua y algunas enzimas y productos químicos cuya función es romper el grano, pasan al tanque de mezcla (4). En este tanque se añaden ácido fosfórico, nutrientes para levaduras y amonio para mantener el pH, se adiciona vapor y se pasa a su licuefacción y sacarificación (5) para liberar el almidón. Es ahora cuando se propagan las levaduras (6) y este mosto se enfría (de 90ºC a 30ºC) antes de pasar a la fermentación (7). La principal par te del coste de la producción está en las primeras etapas: molienda, conversión del almidón y fermentación. La contaminación del mosto es uno de los principales problemas que surgen en la obtención del alcohol. Una limpieza correcta es esencial para controlar el crecimiento de organismos indeseados, que pueden reducir los rendimientos o producir productos de fermentación no convenientes. La solución más apropiada es el tratamiento de los tanques con sustancias químicas (sosa, dióxido de cloro) y enzimas. Estas últimas suponen un incremento en el coste bastante importante. Después de la fermentación, en el proceso se genera dióxido de carbono (CO 2), que se separa y emplea en la fabricación de carbonato de estroncio y bebidas carbónicas.

pag xx xx Combustibles alternat

22/8/03

08:20

El mosto fermentado pasa a destilarse (8) en las columnas de destilación separando el sólido no fermentable y el agua con etanol. El agua de vinazas, libre de alcohol, se extrae por la parte inferior de la columna de rectificación. Par te de esta agua se emplea para calentar el segundo efecto del evaporador (intercambiador de calor) y el resto se mezcla con la lechada de harina procedente del tanque. El siguiente paso consiste en la deshidratación del etanol (10), por medio de tamices moleculares. Las vinazas procedentes de la destilación separan en las centrífugas la mayor parte de los sólidos no fermentables en suspensión en forma de una tor ta. Las vinazas claras, con menos cantidad de materia sólida, y que constituyen la fase líquida de la centrifugación, se recogen en los tanques de almacenaje. Una parte de las vinazas claras se pueden reciclar a la conversión de almidón en función de los requerimientos del proceso y el resto de las aguas claras que salen de los decantadores, que no se reciclan, son evaporadas mediante un evaporador para formar un jarabe espeso muy rico en proteínas. El agua limpia separada del jarabe se reincorpora al proceso. La tor ta húmeda (40% sólido, 60% humedad), procedente de las centrífugas, formando una mezcla homogénea con el jarabe procedente del evaporador, alimentan un secadero (12), donde se introducen en contracorriente los gases de escape de la turbina de gas, tras pasar por el generador de vapor, a temperatura inferior a 400ºC . Esta tor ta húmeda se seca hasta un 10% de humedad. Las harinas de DDGS (Granos Secos de Destilería Solubles) a la salida del secadero son de difícil manejo y su almacenamiento plantearía muchos problemas, por lo que su comercialización sería complicada y el precio de venta bajo o nulo. Por todo ello, se procede a su paletización (13). Las plantas que producen bioetanol son: • Ecocarburantes Españoles, S.A. con 226 tn/año (Cartagena y Galicia), participada por Abengoa (95%) y el IDAE (5%) • En construcción : 200 tn/año (Salamanca) • Otros proyectos: 125 tn/año • Planta ETBE Huelva (Ebro Puleva y Abengoa): la planta de biocombustibles tendrá una capacidad de producción de 126.000 metros cúbicos por año de bioetanol, 34.000 toneladas anuales de biodiesel y 60.000 toneladas de DDGS (Granos Secos de Destilería Solubles).

Página 49

Figura 1 Isobutano

Etanol

ET.B.E

Aplicación directa

Adición a gasolinas

La fábrica de Ecocarburantes en Cartagena produce además de bioetanol (80.000 Tm/año), un subproducto llamado DDGS, que es utilizado para alimentación animal, así como CO2 que se utiliza para la química del estroncio en pantallas catódicas, en la empresa FERTIBERIA. Otra materia prima que utilizan las plantas de Abengoa para la producción de bioetanol son los excedentes vínicos. La producción de bioetanol a partir de cereal es aproximadamente tres veces más cara que a par tir de dichos excedentes vínicos. Pero estos excedentes solo se pueden conseguir a nivel comunitario en las subastas en Bruselas, por lo que surgen dos inconvenientes muy importantes desde el punto de vista de la producción. El primero, el derivado de no saber qué cantidad nos va a ser adjudicada y el segundo, el derivado de la calidad de dichos excedentes. La planta de Galicia, Bioetanol Galicia, S.A., ubicada en Curtis (A Coruña), tiene una capacidad de 126.500 m 3/año, produciendo también 120.000 toneladas al año de DDGS. La planta incorpora una central de cogeneración que, además de suministrar toda la energía térmica necesaria para la producción de bioetanol, genera 200 millones de kWh anuales de energía eléctrica. Es la mayor planta de Europa para la producción de combustible no fósil. Utilización del bioetanol. Mezcla con gasolinas y gasóleos

La utilización de etanol u otros compuestos oxigenados se puede contemplar desde tres puntos de vista: • Mezclas de etanol (u otros compuestos oxigenados como el MTBE o el ETBE) con gasolina convencional en porcentajes menores del 5-10% sin que se indique al usuario. Este es el caso en Europa donde se admite hasta un 5% de oxigenados en la gasolina comercial sin plomo. Normalmente se mezclaba MTBE y se está cambiando hacia ETBE por su mayor degradabilidad.

Buscando combustibles alternativos: el bioetanol

49

pag xx xx Combustibles alternat

22/8/03

08:20

Página 50

Figura 2 m3/año Repsol-A Coruña Repsol-Puertollano Cepsa-Algeciras Total capacidad

70.000 90.000 70.000 230.000

Figura 3 m3/año Repsol-Tarragona Petronor-Somorrostro Total capacidad

170.000 100.000 270.000

• Mezclas de etanol en porcentajes variables desde el 10 al 85%, que exigen modificaciones apreciables en el vehículo respecto a uno de gasolina. • Etanol puro hidratado que necesita modificaciones sustanciales en el vehículo. El bioetanol puede utilizarse para la obtención del ETBE, que con un Indice de Octano Research (RON) entre 110 y 120, se emplea como aditivo para mejorar del índice de octano de las gasolinas sin plomo 95, sin olvidar, además, que al contener oxígeno en su composición, su utilización contribuye a mejorar el medio ambiente a través de una mayor eficacia en la combustión de la gasolina, reduciéndose las emisiones de CO en un 10-30%. Desde el punto de vista técnico, la utilización del bioetanol presenta, además, una ventaja importante, y es que posee un calor de vaporización más elevado que el de la gasolina, lo que redunda en una disminución de la temperatura máxima de combustión, con lo que se consigue un aumento de la eficiencia del motor. Sin embargo, una eventual mezcla de agua con gasolina y etanol, puede producir, debido a la gran afinidad existente entre el etanol y el agua, una separación de fases y por tanto, un carburante de peores características técnicas.

El etanol no presenta mayores riesgos en su manejo que la gasolina o gasóleo. Es poco tóxico y relativamente poco peligroso en pequeñas dosis. En caso de dispersión en el medioambiente, el etanol se disuelve en el agua y existen bacterias que lo disocian en dióxido de carbón y agua. Para evitar cualquier riesgo de uso erróneo o de confusión con un alcohol para el consumo, es imprescindible añadirle un agente desnaturalizante con olor y gusto. En el caso de que se utilice el etanol para producir ETBE, en España existen actualmente 3 refinerías que poseen planta de obtención del ETBE, con las siguientes capacidades: ver Figura 2. Asimismo, en las refinerías de Repsol en Tarragona y de Petronor en Somorrostro (Vizcaya) existen dos plantas de obtención de MTBE que, serán adaptadas a la obtención de ETBE. Sus capacidades respectivas, expresadas en medidas de ETBE, son: ver Figura 3. Con lo que la capacidad total española de producción de ETBE en refinerías ascenderá a 500.000 m3/año. El resto de refinerías españolas como son CEPSA-Tenerife, CEPSA-Huelva y BP Oil España, S.A.-Castellón, no poseen planta de producción de MTBE, por lo que o bien importan dicho producto o adquieren metanol –normalmente obtenido a partir de gas natural– para su mezcla con el isobuteno con objeto de obtener el MTBE que luego se añade a las gasolinas. El isobuteno es un elemento limitante en la obtención del ETBE. En el caso indicado de conversión de todas las plantas españolas de MTBE en ETBE, la demanda de etanol necesaria para la obtención de 500.000 m3 de ETBE es del orden de 210.000 m3. Las dos plantas de producción de bioetanol indicadas anteriormente cubrirán con 220.000 m3/año, las necesidades de etanol para la producción de ETBE, mientras que, como ya se ha comentado, el isobuteno es limitante.

Figura 4

50

Ventajas de los éteres frente a los alcoholes

Inconvenientes de los éteres

Mayor poder calorífico Relación estequiométrica más parecida a la de las gasolinas Muy baja solubilidad en agua Poder corrosivo menor Entalpía de vaporización muy inferior Menor volatilidad

Mayor coste El proceso de obtención debe realizarse en una refinería La capacidad de producción de isobuteno está limitada

anales de mecánica y electricidad / julio-agosto 2003

pag xx xx Combustibles alternat

22/8/03

08:20

Página 51

Figura 5

Gasolinas oxigenadas

Mezclas de hasta un 5% de etanol en gasolina sin modificaciones en el motor ni aviso a los usuarios. Mezclas blandas de gasolina con 5 a 20% de etanol (E-5 a E-20). Tienen un efecto positivo en la combustión y reduce emisiones de CO, no siendo necesaria la modificación de motores. Mezclas de gasolina con un 85% de etanol. Se precisan modificaciones en motores, ajustando el sistema de encendido.

Gasohol

Mezclas de hasta 10% (E10) de etanol en gasolina: sistema convencional de motor de gasolina (ciclo Otto) con ligeras adapta ciones. Hasta un 20% en peso (13% en energía) es aceptable sin problemas en países cálidos como Brasil. Mezclas de alto contenido en etanol donde ya es necesario vehículos (motores) adaptados. Para contenido de etanol variables desde E0 a E100 se han desarrollado en EE.UU los vehículos de carburante flexible (FFV: “Flexible Fuel Vehicle”)

ETBE (Etil terbutil éter)

Producto muy similar a la gasolina y producible en las plantas donde se produce actualmente el MTBE utilizado como componente de las gasolinas sin plomo para aumentar el N.O. y los componentes oxigenados. Se utiliza en sistemas convencionales de motor de gasolina (ciclo Otto) con concentraciones de hasta el 15%. Es generalmente un paso intermedio hacia la introducción del etanol directamente en la gasolina

E100/E95

Etanol “casi” puro deshidratado o hidratado respectivamente. Se puede utilizar en motor Otto especialmente adaptados (o FFV en países cálidos)

Diesohol

En EE.UU y Brasil se está experimentando con mezclas E3 a E15 en el gasóleo para vehículos pesados

Si las disponibilidades de isobuteno no fueran limitantes, el consumo potencial de etanol sería muy superior, pues para el consumo nacional actual de gasolina, que es de 13 Mm3, considerando un contenido de 2% de oxígeno en las gasolinas (las especificaciones vigentes permiten hasta un 2,7%), se necesitarían para fabricar ETBE unos 700.000 m3 de etanol anhidro al año. En España, Repsol YPF, Abengoa y el Grupo EBRO, están estudiando esta adición directa del bioetanol en las gasolinas. En Europa, existe en Suecia una planta piloto, de 50.000 m3, en la que se está estudiando el compor tamiento del producto obtenido mediante mezcla directa con un 5% de bioetanol. En países como Estados Unidos y Brasil se mezcla el bioetanol directamente. Actualmente se estudian varias formas de presentación de carburantes basados en el etanol: ver Figura 5. El uso de bioetanol en mezclas con gasolinas requiere que éstas tengan una presión de vapor menor a la habitual, es decir, hay que eliminar parte de los compuestos más volátiles y limitar al mínimo posible la pre-

sencia de agua, debido a la gran miscibilidad del etanol en ella. Además, al mejorar el etanol el índice de octano, la gasolina utilizada debería tener un octanaje menor para aprovechar esta ventaja. A continuación se presentan las ventajas e inconvenientes de las aplicaciones del etanol en mezclas: ver Figura 6. La utilización en España de bioetanol en mezclas, puede requerir hacer inversiones en la red de distribución de gasolinas. Existe una dificultad añadida. Como ya se ha comentado, debido a la gran afinidad del bioetanol por el agua. El etanol en gasolina, al mezclarse con agua, se separa de la gasolina, depositándose en el fondo tanto de las tuberías destinadas a su transporte como de los tanques de almacenamiento, provocando una disminución de la calidad del carburante y el mal funcionamiento de los vehículos abastecidos con el mismo. Actualmente existen ya en el mercado algunos aditivos que aumentan la capacidad receptora de agua en etanol sin separarse de la gasolina, pero dichos aditivos necesitan todavía una mayor investigación.

Figura 6 Ventajas

Inconvenientes

Reducción de emisiones de NOx, CO y HC Aumento del octanaje de las gasolinas Creación de nuevos mercados para productos agrícolas

Menor poder calorífico que la gasolina Pérdida de potencia del motor Incremento de la corrosión en algunas partes metálicas Dificultades de arranque en frío Problemas por evaporación en altitud y a elevadas temperaturas Mayor coste que los combustibles fósiles en la actualidad

Buscando combustibles alternativos: el bioetanol

51

pag xx xx Combustibles alternat

22/8/03

08:20

Página 52

Potencial a nivel nacional Cereales Remolacha Girasol Set-aside

7.000.000 180.000 1.500.000 800.000

ha ha ha ha

4.000.000 Tm etanol 1.260.000 Tm etanol 300.000 Tm biodiesel 150.000 Tm biodiesel

50% gasolinas 16% gasolinas 3% gasóleos 1,5% del total

Previsiones de acuerdo con el Plan de Fomento de las Energías Renovables (período 2000/2010)

Superficie afectada (ha) Producción agrícola (t/año) Producción biocarburante (t/año) Energía producida Número de plantas Capacidad de plantas Aplicación Inversión (mill de ptas)

Biodiesel

Bioalcohol

150.000

1.100.000

225.000 100.000 100.000 2/3 30.000/50.000 Flotas cautivas prop.