Biocarburantes :Algunas Consideraciones

Indice 2. Biocarburantes: origen y clases 3. Biocarburantes Actuales; Ventajas e inconvenientes 4. Resumen y conclusiones 5. Referencias

1. Introducción

Energía y medioambiente; en la encrucijada En la actual coyuntura de la sociedad, donde es imperativo el desarrollo de amplias capas de la población, hasta el momento parecen contraponerse la, experimentada relación entre bienestar material y consumo energético, con la sensación, cada vez mas generalizada, de que tal desarrollo ha de hacerse de forma sostenible; sostenibilidad ensombrecida por dos circunstancias: Primero el inevitable agotamiento de los recursos energéticos fósiles, hasta el momento alimento del desarrollo; y en segundo lugar la resistencia del medioambiente tal como lo ha conocido la humanidad en tiempos históricos, muy afectada precisamente por el consumo, muchas veces incontrolado, de los recursos energéticos. Esta percepción de crisis energética y medioambiental ha situado el problema entre los más importantes a resolver en el plazo inmediato. Las energías denominadas renovables – junto con la fusión nuclear, cuyo control al día de hoy presenta incierto futuro – se han presentado como prácticamente la única que puede garantizar la sostenibilidad. Pero, en opinión de los autores de este trabajo se debe huir de un exceso de confianza en que la solución esté garantizada; las energías renovables presentan una serie de problemas objetivos: dispersión, baja eficiencia, variabilidad en el tiempo, y por que ocultarlos, económicos que hacen muy complicado prescindir de los recursos fósiles. Sobre este particular , la FIGURA I muestra los resultados de la prospectiva realizada por la prestigiosa Universidad de Delf (Holanda), situada en uno de los países más preocupados por la contaminación en general, y en particular (con razón) por los efectos de los gases de efecto invernadero

Figura I

A parecidas conclusiones llega la Agencia Internacional de la Energía en sus previsiones sobre el futuro energético. Terminamos este apartado con las reflexiones sobre esta misma figura realizadas en un reciente artículo Previsiblemente, todas las personas que hayan leído este trabajo estarán jubiladas en el año 2050, momento en que según este estudio, las energías renovables suministrarán aproximadamente el 15% de la demanda. Con esta perspectiva, parece prudente que, aún intensificando las investigaciones para sustituir las fuentes de suministro tradicionales – que no debe olvidarse, objetivamente presentan muchas propiedades favorables, quizá clave en su desarrollo – la sociedad tenga presente que "El ahorro energético continuará siendo, por mucho tiempo, la mejor energía alternativa"

La biomasa como recurso energético En la siguiente TABLA 1 se relacionan los consumos de energía por áreas geográficas, junto a la participación de las energías renovables; una primera aproximación a la participación relativa de las diferentes tecnologías permite comprobar que cuantitativamente solamente dos tienen cierta importancia..

Tabla 1 Situación mundial de las energías renovables. Año 2002

En una primera lectura, sin duda alguna ofrece material para reflexiones más rigurosas, la TABLA 1 es quizá más ilustrativa desde un punto de vista sociopolítico que energético. Resulta paradójico que en el presente, la alta participación de las energías renovables en el suministro energético primario sea una característica de los países con menor nivel de desarrollo; en cambio, en los países donde la población tiene una mayor "renta per cápita" es un objetivo – al parecer muy difícil de alcanzar – conseguir una mayor aportación de esta clase de recursos.

Es de suponer que el 15 % de participación predicho para el año 2050 se consiga tanto elevando la contribución de los países de la OCDE acompañada de una drástica reducción en el consumo de bosta animal o leña, generalmente incontrolado, que ahora constituyen el principal recurso en amplias zonas del planeta. Como ejemplo de actuación en este terreno, la Unión Europea publicó a finales de 1997 el "Libro Blanco sobe Energías Renovables", que constituye el documento de referencia sobre política comunitaria. La finalidad del mismo se cifra en duplicar la participación de las energías renovables en el suministro energético, pasando del 6% (año 1998) al 12 % en el año 2010. Desde entonces, los países miembros que se encuentran por debajo del objetivo han adecuado sus políticas energéticas a fin de conseguir la meta propuesta. Como muestra de actuación, la FIGURA II presenta la situación española, pasado y las metas propuestas.

Figura II A la luz de los datos de la FIGURA II se agudiza la conveniencia de ser prudente en las previsiones. En España, país de características medias, cerca del 90 % de las energías renovable están representadas por las más tradicionales (Hidráulica y biomasa ) Centrando nuestra atención sobre la biomasa como recurso energético, el "DICCIONARIO DE LA LENGUA ESPAÑOLA. Vigésima segunda edición" proporciona la siguiente definición:

• biomasa.

1. f. Biol. Materia total de los seres que viven en un lugar determinado, expresada en peso por unidad de área o de volumen.
2. f. Biol. Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.

Donde de forma clara se relaciona a este término con la posibilidad de utilización con fines energéticos. No deja de resultar curioso que la biomasa fue, con gran diferencia, la fuente energética predominante hasta bien avanzada la primera revolución industrial, y ahora, en plena tercera revolución, de nuevo se vuelvan los ojos a ella como una de las más prometedoras fuentes de suministro energético. Dos son las razones principales para este protagonismo:

1. A través de la función clorofílica, las plantas sintetizan el tejido vegetal según la reacción básica :

6CO2 + 6H2O + n Þ 6 O2 + C6H12O6 ; D H = 2802,1 kJ/Mol

Mediante este mecanismo se evalúa la producción total en la biosfera en 140·109 toneladas/año equivalente a: 2,425·1018 kJ/a Û 5,8·1010 t.e.p./a ¡seis veces el consumo energético mundial en el año 2002!. A pesar de que la cantidad realmente aprovechable será, necesariamente, una fracción muy reducida, el potencial continúa siendo muy importante.

1. La utilización de biomasa no aumenta la concentración de CO2 en la atmósfera.

El CO2 emitido durante la combustión es capturado por las plantas para formar nuevo tejido vegetal estableciendo un ciclo cerrado.

¿Biocombustible o Biocarburante? Una de las circunstancias que caracterizan a los biocarburantes es la confluencia de diferentes problemáticas (energética, medioambiental, política agrícola, política fiscal, etc) cada una de ellas, a su vez, de elevada complejidad, por lo que no resulta fácil (en realidad, casi nada lo es) establecer pautas generales. Esta confusión llega hasta la propia denominación, pudiéndose encontrar con frecuencia que se conocen como biocombustibles o biocarburantes indistintamente. Para intentar aclarar esta cuestión inicial, hemos vuelto a consultar el "DICCIONARIO….", pero hemos encontrado ninguno de los dos términos, aunque si aparecen los siguientes, íntimamente relacionados:

• combustible. (de combusto).

1. adj. Que puede arder.
2. adj. Que arde con facilidad.
3. 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).

1. m. Mezcla de hidrocarburos que se emplea en los motores de explosión y de combustión interna.

Añadiendo el prefijo "bio-" de forma restrictiva, las anteriores definiciones proporcionan ciertas pautas en la manera de nombrar a los productos de nuestro interés:

• 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.

Con la anterior definición aún se pueden presentar sutilezas idiomáticas, evidentemente no es esta la especialidad de los autores de este trabajo, pero al menos delimita de manera suficiente el alcance del termino "biocarburante", materia de nuestra atención.

2. Biocarburantes: origen y clases

La unión Europea en reciente legislación sobre la materia considera biocarburantes a los productos que se incluyen en la TABLA 2. Posiblemente se puedan encontrar algunos reparos a esta relación – de inspiración y destino fundamentalmente fiscal – en este trabajo se ha optado por respetar la clasificación original; no obstante, los legisladores han aclarado que se trata de una tabla de mínimos, por tanto abierta a posteriores incorporaciones.

Tabla 2 Relación de Biocarburantes, según la legislación de la U.E.

Si atendemos a su origen y propiedades, la taxonomía de la TABLA 3 quizá resulte más ilustrativa

Tabla 3 Biocarburantes con desarrollo más probable

De la TABLA 3 se deduce rápidamente que en estos momentos, las fuentes fundamentales para la fabricación de biocarburantes esta formada por cultivos tradicionales, las más de las veces en competencia con los usos habituales como alimento humano o animal. Como posteriormente se verá con más detalle esto constituye, a través del coste de las materias primas, la principal restricción a la generalización de su empleo como alternativa a los carburantes tradicionales de origen petrolífero.

Biocarburantes Actuales; Métodos de Fabricación La tecnología de fabricación de los bioalcoholes y biodiesel a partir de las materias primas convencionales constituye una tecnología madura, con abundancia de instalaciones industriales; aunque existen ciertas diferencias entre los diseños, todos ellos obedecen a un esquema común, por otra parte bien conocido.

Bioalcoholes La reacción fundamental para obtener bioalcohol es por oxidación (fermentación) de soluciones ricas en monosacáridos: glucosa, fructosa, etc.} C6H12O6 Û 2 C2H5OH + 2 CO2 D H = -217,7 kJ/mol glucosa levadura etanol

Los distintos procesos industriales difieren en la forma de obtener el monosacárido final, función de la materia prima utilizada.

• Caña de azúcar y Remolacha

El jugo azucarado contiene sacarosa, un disacárido que se hidroliza a glucosa y fructosa. Modernamente, la hidrólisis y posterior fermentación se realizan en una sola etapa. C12H22O11 + H2O Û C6H12O6 + C6H12O6sacarosa invertasa glucosa fructosa

• Cereales

En este caso, el componente fundamental es el almidón, polisacárido que se hidroliza enzimaticamente al disacárido maltosa y a partir de esta reacción se continua como en el caso del azúcar. 2n C6H12O11 + (n-1) H2O Û n C12H22O11almidón a -amilasa maltosa

C12H22O11 + H2O Û C6H12O6 + C6H12O6

• • maltosa invertasa glucosa fructosa
• Materiales lignocelulósicos

Como es sobradamente conocido el tejido vegetal se compone fundamentalmente de hemicelulosa, celulosa, y lignina. La hemicelulosa es un polisacárido de estructura amorfa que se hidroliza fácilmente a xilosas y metil furano; en la actualidad la hemicelulosa puede ser convertida cuantitativamente a etanol por tratamientos biológicos. La celulosa es la fracción más abundante, responde a la estructura de un polisacárido de elevado peso molecular. Por hidrólisis, ácida, básica o biológica, da lugar a hexosas que posteriormente se transforman en alcohol. Por último, la lignina es un polímero de estructura complicada aunque se sabe que tiene base aromática (fenólica). Por el momento no se ha conseguido un procedimiento satisfactorio para obtener alcoholes por hidrólisis, química o biológica, de este componente.

En la FIGURA III se ha presentado un esquema del proceso secuencial para la obtención de alcoholes a partir de orígenes leñosos. Se debe advertir que al ser un proceso en intensa fase de investigación existen múltiples variantes, abundancia que suele ser muestra de que ninguna es totalmente satisfactoria. Entendemos que esta vía es el porvenir de los biocarburantes, donde ya puede anticiparse que los problemas de logística para la recogida de la materia prima pueden ser una importante barrera al desarrollo.

Figura III

Biodiesel Aunque se ha utilizado aceite vegetal para alimentar motores de autoignición en instalaciones fijas, incluso existen algunos modelos adaptados a esta función, las prestaciones exigidas por los modernos automóviles necesitan carburantes de mejores y más regulares propiedades; la conversión del triglicérido original en ésteres simples (por lo común metílicos) consigue ambos objetivos. Todo el biodiesel utilizado en la actualidad ha sido obtenido por la siguiente reacción: R – CO-O-CH3 R – CO-O – CH3 CH3·OH R’ – CO-O-CH3 + 3 CH3OH R’ – CO-O- CH3 + CH3·OH R" – CO-O-CH3 R" – CO-O-CH3 CH3·OH

Triglicérido + Metanol Ésteres metílicos Glicerina

La reacción principal es catalizada por las bases fuertes, utilizándose preferentemente el hidróxido potásico para obtener un subproducto comercializable como fertilizante. La FIGURA III .muestra un esquema muy simple del diagrama de flujo. Existen algunas pequeñas variantes al proceso principal, motivadas por el tipo de materia prima – clase de aceite o residuo a tratar – así como la posibilidad de trabajar en continuo o por lotes.

Figura IV

3. Biocarburantes Actuales; Ventajas e inconvenientes

En nuestra opinión, este apartado está fuertemente condicionado por el supuesto que se adopte sobre su grado de participación en el total de la demanda. A la luz de la información de la TABLA 4 no parece arriesgado aventurar que los biocarburantes a partir de cultivos convencionales no podrán ser una real alternativa a los de origen fósil. Exceptuando situaciones locales con elevados excedentes lo más probable es que se utilicen en la formulación de los carburantes comerciales como un componente minoritario ¿5 – 15 %?. Este objetivo no es en absoluto modesto, probablemente satisficiese las más optimistas predicciones de los sectores directamente involucrados: planificadores energéticos, organizaciones agrarias, etc. Como referencia, el objetivo que pretende alcanzar la U.E. es del 2% en el año 2005 y del 5,7% en el 2010, ambos calculados como contenido energético. En principio se pensó que tales metas fuesen imperativas, pero la numantina oposición de algunos países miembros obligó a convertirlas en simplemente indicativas.

Tabla 4 Producción mundial (típica) de materias primas para biocarburantes tradicionales

Si el biocarburante se utiliza en mezcla con gasolina o gasóleo – las vigentes normas europeas permiten 5% de etanol y aunque sobre el gasóleo no existe legislación específica, en algunos países (Francia p.ej.) se incorpora habitualmente al 5% – se han obviado dos problemas, que de otra manera serían una fuerte barrera, nos referimos a: logística de distribución y compatibilidad con los actuales vehículos.

Admitiendo el consumo en mezcla minoritaria con bases petrolíferas, la situación es:

Ventajas

1. Carácter Renovable: Sin duda alguna este es su principal atractivo. Aunque los diferentes estudios no coinciden en la cuantificación del CO2 evitado, que por otra parte está fuertemente condicionado por el tipo de cultivo, parece que su efecto está muy claro en el caso del biodiesel y más discutido para el bioalcohol.

2. Este efecto podía ser realzado con relativa sencillez si los residuos vegetales (paja, bagazo, hojas, tallos, etc.) se utilizasen también como biocombustibles (preferentemente en cogeneración) o mejor aún para fabricar bioalcohol adicional.

   Por último la ausencia de azufre y aromáticos reduce su presencia en los humos; pero, por otra parte aparece formaldehído y otros compuestos oxigenados nocivos, cuyos efectos son menos conocidos.

   No debe olvidarse que puede constituir un destino adecuado a ciertos residuos: aceites fritos o residuos de las industrias de preparados comestibles.

3. Medioambiente: También discrepan sensiblemente las publicaciones sobre este aspecto. No obstante, hay cierto acuerdo en que la adición de biodiesel disminuye la emisión de partículas e inquemados, aumentando ligeramente la generación de NOx. El bioalcohol es algo más controvertido, si bien disminuye CO e hidrocarburos inquemados, aumentando el NOx, el mismo efecto podía conseguirse con cualquier oxigenado a base de metanol
4. Otros: Sin duda alguna los biocarburantes, aún en su estado actual, ofrecen un elevado potencial para crear nuevas industrias de origen agrícola, con lo que esto conlleva sobre excedentes agrarios, creación de puestos de trabajo, etc.

La diversificación del suministro energético también se arguye, al menos en USA y la U.E., como uno de los logros a destacar.

Inconvenientes

1. Coste: Sin duda el impedimento más serio (¿único?) a su implantación. Lo más grave es que el principal componente del coste final es la materia prima, cuyo precio se rige por consideraciones ajenas a la industria de los carburantes.

En la siguiente tabla se ofrecen algunos precios internacionales orientativos, en el convencimiento que las implicaciones agrícolas tienen que ser estudiadas de forma particularizada para cada situación:

Tabla 5 Precios internacionales de carburantes y materias primas

Aún admitiendo la marcada volatilizad de los precios, agrícolas y petroleros, parece colegirse que, pese a las aproximaciones realizadas – no se han tenido en cuenta los ingresos por venta de coproductos o corregido el inferior poder calorífico de los biocarburantes -.en ambos casos el coste de materia prima es superior al precio "ex refinería" de los carburantes a que pretende sustituir.

Si se quiere mantener el precio de venta al público del carburante, esta situación nos lleva a dos posibles soluciones:

1. Subvencionar fuertemente el bioalcohol y el biodiesel; política adoptada en U.S.A., y la U.E
2. Promover la investigación y desarrollo para utilizar materias primas de menor coste que las actualmente empleadas, cuya productividad parece una barrera de muy difícil superación.

Esta disyuntiva nos da lugar a una reflexión con la que acabamos el trabajo: Cada sociedad debe implantar la vía que más se acomode a sus necesidades, si bien nosotros nos inclinamos claramente por la segunda, entre otras razones por que, como se ha intentado poner de manifiesto en la TABLA 4 las fuentes convencionales de suministro resultan a todas luces insuficientes para constituirse en una real alternativa a la situación presente.

4. Resumen y conclusiones

En primer lugar se intenta situar a las energías renovables dentro del contexto general del suministro de energía primaria. Las previsiones realizadas por prestigiosas instituciones no permiten excesivo optimismo. Cocluyen que dentro de cincuenta años, el porcentaje de la demanda abastecido por renovables estará en los mismos niveles que actualmente, alrededor del 15 %; siendo la biomasa el recurso sobre el que mayores esperanzas recaen. Con este futuro, asumiendo el inevitable, aunque de complicada datación, agotamiento de los recursos fósiles, las actitudes que fomenten el ahorro energético cobran el mayor protagonismo. Este trabajo apoya la división de biomasa entre biocombustibles y biocarburantes, los últimos especializados en la alimentación a motores de explosión (bioalcohol en lugar de gasolina) y motores de autoignición (biodiesel por gasóleo). Centrando el interés sobre los biocarburantes, se realiza una taxonomía basada en los orígenes y métodos de obtención. En la actualidad la práctica totalidad de los biocarburantes utilizados, son obtenidos a partir de recursos agrícolas (excedentarios o no), con una mínima participación de algunos residuos industriales o domésticos (aceite frito usado). Los métodos de producción puede considerarse una tecnología madura, por lo que no es de esperar sustanciales variaciones a los respectivos esquemas de fabricación que oportunamente se muestran. La última parte del trabajo se dedica a revisar las principales ventajas e inconvenientes de los biocarburantes. Llegando a la conclusión de que la obtención a partir de recursos agrícolas convencionales: cereales, sacarosa y plantas oleaginosas, no puede ser calificado de alternativa sostenible a los carburantes tradicionales – no existen suficientes recursos y, además, los precios resultan difícilmente competitivos – por lo que se hace imprescindible aumentar la investigación y desarrollo en encontrar alternativas viables a los actuales suministros de materias primas.

5. Referencias

• http://www.ocp.tudelft.nl/ev/prof/fac_pres.pdf
• http://www.iea.org/leaflet.pdf
• El Hidrógeno combustible. J. Andrés y A. Santos. Ingeniería Química. Mayo 2003
• http://www.iea.org/leaflet.pdf
• http://buscon.rae.es/diccionario/drae.htm
• Mercedes Ballesteros. CIEMAT. España, Octubre 2001
• DIRECTIVA 2003/30/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 8 de mayo de 2003 relativa al fomento del uso de biocarburantes u otros combustibles renovables en el transporte
• LLey 53/2002, de 30 diciembre de Medidas Fiscales, Administrativas y de Orden Social
• http://www.buenosaires-links.com.ar/ciencia/aceitegasoil.htm
• http://www.fao.org/docrep/004/w9687s/w9687s06.htm
• http://www.fao.org/docrep/004/w9687s/w9687s06.htm
• http://www.iea.org/statist/keyworld2002/keyworld2002.pdf
• http://www.fao.org/docrep/005/y6668s/Y6668s14.htm

Trabajo enviado por : José Andrés Martíne

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