Ambientum - Revista Ecotimes Junio - La biomasa como materia prima para la obtención de combustibles líquidos

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La biomasa como materia prima para la obtención de combustibles líquidos

Por Laura Faba, Eva Díaz, Salvador Ordóñez
Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente, Universidad de Oviedo
diazfeva@uniovi.es

INTRODUCCIÓN

La problemática medioambiental, conjuntamente con diversos problemas socioeconómicos asociados al uso de materias primas combustibles de origen mineral, ha impulsado el desarrollo de diferentes tecnologías sustitutivas para la obtención de energía. A día de hoy, el principal problema es la sustitución de la gasolina y el diesel como combustibles líquidos para propulsar el sector transporte. Una posible alternativa sería el uso de motores de hidrógeno, sin embargo, no es factible a corto plazo. La única materia prima renovable que puede utilizarse para la obtención de combustibles líquidos es la biomasa (materia orgánica).

La transformación de la biomasa en combustibles puede llevarse a cabo por vía química, enzimática, o mediante procesos híbridos, siendo la vía química-catalítica una de las que resultados más prometedores ofrece a corto plazo. En la Figura 1 se muestran las principales vías químicas de aprovechamiento de la biomasa para la obtención de biocombustibles, diferenciando entre procesos de primera y segunda generación.

BIOCOMBUSTIBLES DE PRIMERA GENERACIÓN

Los primeros pasos en el desarrollo de tecnología energética basada en biomasa utilizan como materia prima componentes de fracciones muy concretas (semillas de vegetales muy específicos). Los principales biocombustibles de la primera generación son el bioetanol y el biodiesel. El bioetanol es producido a partir del azúcar contenido en las plantas o el almidón contenido en las semillas de los cereales [2]. El biodiesel es producido a partir de aceites vegetales después de su conversión en los correspondientes ácidos grasos y metil ésteres [3].

En España, la producción de bioetanol y biodiesel se ha llevado a cabo utilizando principalmente girasol, soja, cebada, maíz o colza [4]. Según las previsiones europeas, en el año 2010 debería haberse sustituido un 5.75% del diesel mineral por biocombustibles [5], lo que significaría obtener 129 mil toneladas de biodiesel al año [6]. Teniendo en cuenta los rendimientos energéticos obtenidos con las tecnologías de primera generación y los rendimientos de producción de los terrenos españoles (equivalente a 25 hL de bioetanol por hectárea de cereal, 65hL de bioetanol por hectárea de remolacha y 1.5 toneladas de biodiesel por hectárea de colza), significaría dedicar un total de 13.200, 2350 y 390 miles de hectáreas de plantación de colza, cereales y remolacha, respectivamente [7].

En la práctica, es imposible convertir toda la energía de la biomasa en combustible, al igual que es imposible aprovechar toda la energía del crudo en gasolina y diésel. En la Tabla 1 se compara el rendimiento energético de las materias primas más extendidas para la obtención de biocarburantes. Actualmente, los esfuerzos en materia de aprovechamiento de biomasa se centran en mejorar la tecnología para conseguir una mayor eficiencia térmica, además de utilizar biomasa de orígenes cada vez más diversos, utilizando plantaciones que requieran poco agua, capaces de desarrollarse en zonas áridas y con pocas necesidades de fertilizantes [1].

BIOCOMBUSTIBLES DE SEGUNDA GENERACIÓN

La mayor parte de los problemas de los biocombustibles de primera generación pueden ser solventados con la tecnología de biocombustibles de segunda generación, producidos a partir de residuos forestales y agrícolas y a partir de la componente lignocelulósica de los vegetales, situada en fracciones de los cereales desechadas actualmente. La principal razón por la que no han sido comercializados aún, a pesar de sus potenciales ventajas, es que requieren tecnologías aún por desarrollar a nivel comercial y sus costes son significativamente mayores que los de producción de biocombustibles de primera generación.

Una de las principales causas de esta dificultad tecnológica es la diferencia en la estructura química entre la biomasa y los combustibles fósiles: los combustibles son compuestos hidrofóbicos, mientras que la biomasa lignocelulósica es de naturaleza hidrofílica y muy rica en oxígeno. La presencia del oxígeno causa grandes problemas en las refinerías actuales: disminuye el poder calorífico, provoca mayor corrosión y, da lugar a un combustible que no se podría mezclar con el de origen mineral. Por tanto, es necesario aumentar el índice H/C y eliminar el oxígeno, tal y como se muestra en la Figura 2. Para ello es preciso optimizar los catalizadores necesarios para cada una de las etapas del proceso de fabricación. La catálisis homogénea, utilizada en ambos procesos presenta diversos inconvenientes, entre los que desataca el gasto energético y económico en los procesos de purificación y eliminación del catalizador de los productos finales. Para subsanar este problema, los esfuerzos actuales se centran en desarrollar catalizadores sólidos (ácidos y básicos) más selectivos, seguros y respetuosos con el medio ambiente.

MÉTODOS DE SÍNTESIS DE COMBUSTIBLES A PARTIR DE BIOMASA

Según los procesos que se conocen actualmente, la materia lignocelulósica puede ser transformada en combustibles líquidos por tres vías principales:

  • Producción de gas de síntesis por gasificación;
  • Producción de bioaceite por pirólisis o licuefacción;
  • Hidrólisis para producción de monómeros de azúcar.

A continuación, se resumen las ideas principales de cada uno de estos procesos, haciendo hincapié en el proceso de hidrólisis, por lo novedoso del mismo.

5.1 PROCESOS DE GASIFICACIÓN

La gasificación es un proceso en el cual un material carbonoso -líquido o sólido como, por ejemplo, la biomasa- reacciona con aire, oxígeno y/o vapor de agua, produciendo un gas denominado gas de síntesis, que contiene: CO, H2, CO2, CH4 y N2 en proporciones variables, controlando los tiempos de residencia en la gasificación, la temperatura de reacción y los flujos de calor [10]. Las temperaturas de reacción pueden llegar a superar los 1000 °C, no siendo nunca inferiores a los 600 °C.

El gas de síntesis obtenido en la gasificación de biomasa se puede utilizar como materia prima para obtener alcanos con propiedades asimilables a las del diésel mineral mediante la reacción de Fischer-Tropsch (FTS) utilizando catalizadores basados en cobalto, hierro o rutenio. Este procedimiento, desarrollado a comienzos del siglo XX, fue uno de los métodos más utilizados para obtener combustibles líquidos en países como Alemania (durante los años 30-40) o Sudáfrica [11]. El proceso ocurrido durante esta reacción se resume en la Eq. 1:

Los productos de la síntesis FTS son una gran variedad de alcanos con una longitud de entre C1 y C50. Los hidrocarburos correspondientes al rango propio de gasolinas y/o diésel (C8-C15) no se pueden sintetizar selectivamente mediante este proceso, alcanzando una pureza máxima menor del 50%, con gran cantidad de impurezas, tal y como se observa en la Figura 3. Sin embargo, la implantación industrial de la gasificación-reacción de Fischer-Tropsch para la obtención de bicombustibles presenta el inconveniente de necesitar numerosos y costosos procesos de purificación de la corriente de salida [12], en la que, además de los hidrocarburos, se obtienen alcoholes y olefinas.

5.2 PROCESOS DE PIRÓLISIS Y LICUEFACCIÓN

La pirólisis es una reacción de descomposición térmica en defecto de oxígeno. Este proceso puede dar lugar a productos de muy diversa naturaleza (líquidos, sólidos, gaseosos) en función de las condiciones de reacción. Para obtener productos líquidos (promotores de los posteriores biocombustibles) es necesario operar con tiempos cortos de residencia (del orden de segundos), velocidades de transmisión de calor elevadas y temperaturas moderadas (menores de 500°C). Con estas condiciones se puede asegurar que prácticamente el 100% del poder energético de la biomasa se ha transferido a los productos líquidos obtenidos (50% - 90%) [13]. El producto de la pirólisis de biomasa, denominado bioaceite, está formado por una mezcla que puede contener más de 400 diferentes tipos de compuestos, incluyendo ácidos, alcoholes, aldehídos, ésteres, cetonas y compuestos aromáticos. Comercialmente, puede utilizarse para la producción de energía en centrales térmicas y como reactivos para numerosos productos químicos.

La obtención de combustibles líquidos a partir de este bioaceite requiere una estabilización de su composición y una mejora y homogeneización de sus propiedades. El bioaceite obtenido tiene numerosas propiedades como precursor químico, pero presenta serias desventajas para su uso directo como combustible líquido en el transporte. Entre estas desventajas destacan una baja capacidad calorífica, la incompatibilidad con otros combustibles, su gran viscosidad, el posible contenido en sólidos y su inestabilidad química. Estas desventajas justifican la necesidad de procesos de refinado [14,15]. A pesar de estos procesos de refinado, las técnicas de pirólisis dan lugar a corrientes de hidrocarburos demasiado ligeros, mezclados con compuestos de peso molecular muy bajo y con un elevado grado de oxidación (por ejemplo, ácido acético), por lo que presentan mucha menor calidad que el combustible mineral [16].

Con la finalidad de obtener mejores rendimientos hacia combustibles líquidos, los procesos de pirólisis están siendo sustituidos por procesos de licuefacción. La licuefacción no utiliza oxígeno, si no un gas reductor, que puede ser monóxido de carbono, hidrógeno o una mezcla de ambos (gas de síntesis), en presencia de catalizadores (carbonatos alcalinos) en solución acuosa, a alta presión (100 - 300 atmósferas) y temperaturas entre 300 y 500 °C.

5.3 PROCESOS DE HIDRÓLISIS

Los procesos de tratamiento de biomasa lignocelulósica anteriormente mencionados requieren elevadas temperaturas de operación. Por el contrario, mediante procesos de hidrólisis se obtienen monosacáridos con procesos a bajas temperaturas. Estos monómeros se pueden utilizar como materia prima para obtener diversos productos químicos o como precursores de biocombustibles. Previamente a la hidrólisis, la biomasa ha de ser pretratada, física o químicamente, con el fin de disminuir la cristalinidad de la celulosa, aumentar el área superficial, separar la hemicelulosa de la celulosa y romper las estructuras de lignina. Tras la hidrólisis, los productos (azúcares) obtenidos pueden valorizarse mediante diferentes procesos o utilizarse como materia prima para la obtención de biocombustibles mediante diferentes vías, tal y como se muestra en el esquema de la Figura 4.

- 5.3.1 REFORMADO EN FASE ACUOSA

El proceso de reformado de azúcares, o bioforming®, permite obtener hidrocarburos en el intervalo C8-C15 a partir de los azúcares de la materia lignocelulósica, utilizando catalizadores básicos y un procedimiento similar al de fraccionamiento de petróleo. Esta tecnología fue patentada por VirentEnergySystemy Shellen el año 2002 y, aunque aún hoy continúan estudiándose vías de optimización, desde el pasado 2011 se encuentra en fase de comercialización [18]. Este proceso permite la transformación de restos de cereales y plantas herbáceas (principalmente maíz, paja de trigo y bagazo de caña de azúcar), sin tener que extraer previamente las hexosas de las pentosas. Esto implica un mayor rendimiento energético y productivo que otros procesos de obtención de biocombustibles de primera generación. En la Figura 5 se muestra un esquema simplificado de este proceso. La optimización de cada una de las etapas permite regular la composición de los productos obtenidos, de tal forma que permite la flexibilidad necesaria para obtener la mezcla de hidrocarburos compatible con los carburantes y motores de combustión actuales.

- 5.3.2 DESHIDRATACIÓN

La deshidratación de azúcares permite obtener aldehídos aromáticos de la familia del furfural a partir de los monómeros obtenidos en la hidrólisis de la materia lignocelulósica. Es una reacción catalizada por medio ácido con la que se forma 5-hidroximetilfurfural (5-HMF) y furfural a partir de las hexosas y pentosas correspondientes. Estos compuestos son intermedios para la obtención de numerosos productos, entre ello el dimetilfurfural (DMF), compuesto considerado como un biocombustible alternativo, con una densidad energética un 40% mayor que la del etanol que le permite ser considerado análogo a la gasolina. Además, es químicamente mucho más estable que el etanol. Sin embargo, el rendimiento global de producción del DMF no ha superado el 9% [19], por lo que no puede considerarse una alternativa factible, aunque ya está siendo utilizado como aditivo de la gasolina.
Los aldehídos obtenidos por deshidratación de azúcares dan lugar a moléculas de cinco y seis átomos de carbono. Si este tipo de moléculas se sometiesen a un proceso de hidrogenación completa, darían lugar a hidrocarburos como pentano y hexano no ramificados, de muy mala calidad como combustibles sustituto de gasolinas por su bajo índice de octano. Sin embargo, estos compuestos pueden integrarse en un proceso de biorrefinería más extenso, en el que se someten a reacciones en fase acuosa (condensaciones e hidrodesoxigenaciones) mediante los cuales se obtienen derivados de entre 8 y 15 átomos de carbono, cuya hidrogenación completa da lugar a combustibles de alta calidad.

- 5.3.3 CONDENSACIÓN RETROALDÓLICA

La condensación retroaldólica o retrocondensación aldólica es una reacción de ruptura de enlaces C-C mediante catálisis básica. La transformación mediante retroaldolización de las hexosas (glucosa, galactosa, etc.) permite obtener glicolaldehído, interesante intermedio para la obtención de una gran cantidad de compuestos de elevado valor industrial o combustibles líquidos mediante reacciones de condensación [20].

CONCLUSIONES

Para la obtención de combustibles líquidos, la única opción viable que se conoce es a partir de biomasa. Si bien ya se han desarrollado tecnologías a nivel industrial para obtener estos combustibles a partir de partes muy específicas de cereales y aceites (biocombustibles de primera generación), existen numerosos inconvenientes que sugieren la necesidad de desarrollar tecnologías más complejas que permitan obtener biocombustibles de mayor calidad utilizando recursos menos específicos. Actualmente, se ha conseguido sintetizar biocombustibles mediante estos procesos, pero sigue habiendo muchos puntos para optimizar antes de que sean totalmente competitivos con los carburantes convencionales. Sólo la tecnología bioforming® está implantada a nivel industrial y en fase de comercialización, mientras que el resto de tecnologías catalíticas no han superado escalas piloto.

BIBLIOGRAFÍA

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[4] www.coceral.com
[5] Directiva 2003/30/CE del Parlamento Europeo, 8 de mayo de 2003.
[6] “Informe marco sobre la demanda de energía eléctrica y gas natural, y su cobertura”, Comisión Nacional de la Energía (CNE), 2012.
[7] Decisión nº 1600/2002/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, Comisión de las Comunidades Europeas 2002.
[8] “Biomasa. Cultivos energéticos” Instituto para la diversificación y ahorro de la Energía. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, 2010.
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[18] www.virent.com
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Los comentarios de los lectores

09/06/2013 0:35:43
Interesante artículo. tienen mas información especifica sobre generación de energía a partir de residuos domesticos? esta es una alternativa que se discute actualmente en muchos países latinoamericanos.
Esteban Echavarria Cano
22/04/2015 22:58:22
El hecho de que la humanidad no a logrado encontrar una independencia de los combustibles fociles en sugran mayoria es el cambio y octencion de otras alternativas, pero a medida de q el tiempo pasa se encuentransoluciones practicas la biomasa es una de estas
Calderas Biomasa

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