bioetanol combustible tecnología y desarrollo sostenible

IIQ – FI - UdelaR Tecnologías Emergentes en Energías Renovables - TEER 2018-07-13 1

Alternativas tecnológicas para la

producción de etanol combustible

Bioetanol Combustible Tecnología y Desarrollo Sostenible

Parte 1 - Introducción

Daniel Ferrari

[email protected]


Presentar conceptos básicos relacionados con la

producción y uso de los biocombustibles, del

bioetanol en particular, dentro de un contexto de

economía basada en el uso de la biomasa.

Conocer los principales procesos y tecnologías

emergentes de producción de bioetanol y su

integración dentro de un concepto de biorrefinería.

Presentar los aspectos básicos del desarrollo

sostenible de su producción.

Objetivos


Bioenergía: Energía derivada de la biomasa

La biomasa puede ser procesada en combustibles

sólidos, líquidos o gaseosos o convertida en otras

fuentes de energía como calor, potencia o electricidad.

Bioenergía

Biocombustibles

Bioelectricidad


Fracción biodegradable de los productos, desechos, y

residuos de origen biológico procedentes de las

actividades agrarias (incluidas las sustancias de

origen vegetal y animal), de la silvicultura y de las

industrias conexas, incluidas la pesca y la

acuicultura, así como la fracción biodegradables de

residuos industriales y municipales. (*)

Materia prima de origen biológico excluyendo material

incrustado en formaciones geológicas o transformado

en material fosilizado. (**)

(*) Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo del 23 de abril de 2009.

(**) ISO 13065:2015. Sustainability criteria for bioenergy.

Biomasa


Cultivos

destinados a

bioenergía

Azucarados: caña de azúcar, remolacha, sorgo

dulce, etc.

Amiláceos: maíz, trigo, sorgo grano, boniato, etc.

Lignocelulósicos: árboles, gramíneas, etc.

Oleaginosos: colza, soja, girasol, palma, etc.

Residuos

Industrialización de la madera: aserrín, licor negro,

descartes, etc.

Agrícolas: descartes, mazorcas, tallos, hojas,

excedentes de producción, etc.

Otros residuos industriales: bagazo, cáscaras, etc.

Animales: sebo, excrementos,

Residuos urbanos: basura, residuos de podas, etc.

Varios: aceites de fritura usados

Tipos de biomasa


La producción de biomasa vegetal es básicamente el resultado del

proceso de fotosíntesis que depende de la energía solar, la

presencia de agua y de dióxido de carbono.

6H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6O2 Luz solar

BNDES - CGEE (2008). Bioetanol de caña de azúcar

Biomasa: energía del sol


Combustible obtenido a partir de biomasa.

Biocombustible

Tipo Ejemplos típicos

Gaseoso Biogás (metano)

Biohidrógeno

Gas de pirólisis de madera (gasógeno)

Líquido Bioetanol

Bio etil ter butil éter (Bio ETBE) (*)

Biobutanol

Biodiesel (*)

Diesel “verde”

Sólido Leña

Chips, pellets (de madera)

Residuos agrícolas (cáscaras, bagazo, etc.)

Carbón vegetal

No son totalmente obtenidos de biomasa, en el caso del biodiesel solo si el metanol u etanol usado

es obtenido a partir de biomasa.


Desventaja de la biomasa como fuente directa de bioenergía

Baja densidad de energía

Baja cantidad de energía por volumen, masa

o área.

Requiere un proceso para su concentración.

Poder calorífico de biomasa: 0,2 – 0,35 kep/kg

(dependiendo de su origen y humedad)


Producto Poder calorífico inferior

(kcal/kg) (kep/kg)

Petróleo 10000 1

Gas natural 12000 1,20

Fuel oil 9400 0,98

Carbón vegetal 7500 0,75

Gasoil 10200 1,02

Biodiesel 9000 0,90

Gasolina 10500 1,05

Etanol 6400 0,64

Pellets de madera 4100 0,41

Leña 2700 0,27

Aserrín, residuos forestales 2610 0,26

Bagazo 2350 0,23

1 tonelada equivalente de petróleo (tep, toe inglés) = 10.000.000 kcal

1 kilogramo equivalente de petróleo (kep) = 10.000 kcal

Contenido energético de combustibles y biomasas


Densidad de energía

2.000 a 3.500 kcal/kg

6.400 a 9.000 kcal/kg

BIOMASA BIOCOMBUSTIBLE



Madera Pellets

Pellets

tratados por

torrefacción

Carbón

vegetal

Humedad

(%) 35 - 50 7 - 10 1 - 5 10 - 15

Poder calorífico

(MJ/kg) 9 - 12 16 - 18 19 - 23 23 - 28

Densidad

aparente (kg/m3) 200 650 700 820


IEA Bioenergy – Task 40 (2017).


Uso de la biomasa: moderno vs tradicional

Uso (o tecnología) tradicional

Uso directo de la energía de la biomasa básicamente

para calefacción y preparación de alimentos de los

hogares.

Uso moderno

Uso de la biomasa destinado a generación de calor,

electricidad, vapor y producción de biocombustibles,

usando sistemas más eficientes y más limpios que los

tradicionales.


PRODUCTOS

Combustibles gaseosos: biogás, gas de síntesis

Combustibles líquidos: bioetanol, biodiesel

Combustibles sólidos: carbón vegetal, chips

Electricidad

Calor

Alimentos: aceite, producción animal

Productos químicos: glicerina, sílice, bioplásticos

Forraje y fibras

TRANSFORMACIÓN

PROCESOS

FÍS

ICO

S

QU

ÍMIC

OS

BIO

ÓG

ICO

S

CO

MB

INA

DO

S

PRODUCCIÓN

DE BIOMASA

SIL

VIC

ULT

UR

A

AG

RIC

ULT

UR

A

PL

AN

TA

CIO

NE

S

RE

SID

UO

S

COMERCIALIZACIÓN

USO FINAL

Uso moderno Uso tradicional

ALMACENAMIENTO

PRETRATAMIENTO

TRANSPORTE


Una biorrefinería es una planta que integra procesos de

conversión de biomasa, equipos y servicios para producir

combustibles, potencia, productos químicos, incluso alimentos,

a partir de biomasa.

El concepto de biorrefinería deriva por analogía con una refinería

de petróleo, que produce múltiples combustibles y productos

(solventes, asfaltos, lubricantes, derivados de la petroquímica).

Permite la integración con otras cadenas de valor que usan

materias primas agrícolas (alimentos, fibras, etc).

Principales diferencias con una refinería de petróleo: amplia

variabilidad en el composición de la biomasa en relación al

petróleo, mayor diversidad de procesos (químicos, físicos,

biológicos) aunque de menor complejidad.

El concepto de refinería implica que la generación de valor

depende de la comercialización de la canasta de productos.

Permite reducir la huella de carbono, menor uso de carbono.

Uso moderno de la biomasa: biorrefinería


Plataforma Bioquímica

Plataforma Termoquímica

Calor y

Potencia

Combinados

Procesos Biomasa

Combustibles

Productos químicos

Materiales



Petróleo Biomasa

Combustibles

Energía

Productos no energéticos

(Productos químicos, lubricantes, asfaltos, etc.)

Combustibles

Energía

Productos no energéticos

(Productos químicos, fibras, etc.)

Alimentos

Refinería Biorrefinería



Comprende la parte de la economía que usa recursos

biológicos renovables, tales como cultivos agrícolas,

bosques, animales o microorganismos, residuos

biológicos, para producir alimentos, materiales y

energía.

Incluye la producción primaria (agricultura,

forestación, acuicultura, etc.).

Concepto para un desarrollo sostenible

Estrategia para la generación de trabajo,

particularmente en zonas rurales y oportunidades de

negocio.

Biorrefinería y bioeconomía

Biorrefinería


IEA Bioenergy – Task 42 Biorefinery (2014).

Biorrefinería y economía circular

Bioeconomía circular


RENOVABILIDAD SOSTENIBILIDAD

Atributo de la fuente Atributo del uso

Una fuente puede ser renovable pero no sostenible

Renovable vs sostenible


La porción no sostenible de la biomasa está básicamente

compuesta por la leña que proviene de la deforestación.

La biomasa sostenible incluye cultivos especialmente

desarrollados para bioenergía, residuos animales,

vegetales, urbanos, además de la leña obtenida de forma

sostenible.

La forma sostenible del consumo de leña puede darse por

medio de:

recolección de ramas secas, en ocasiones como

resultado de procesos de poda

tala de árboles a una tasa inferior a la de regeneración

natural

tala de árboles seguida por la replantación de las

especies cortadas.



Fuente de energía

No renovable Renovable

Tecnología

Tradicional Moderna

Uso Uso

Sostenible No sostenible Sostenible No sostenible



Agrocombustible

Combustible líquido renovable de origen

agropecuario o agroindustrial, que comprende entre

otros, al alcohol carburante y al biodiesel.

Alcohol carburante

Alcohol etílico carburante producido para ser utilizado

en motores de combustión. Comprende al alcohol

etílico anhidro carburante y al alcohol etílico

hidratado carburante.

Definiciones según Ley 18195 de Agrocombustibles (2007)


¿Qué es el bioetanol?

Etanol o alcohol etílico producido a partir de biomasa

rica en carbohidratos.

El bioetanol tradicionalmente se produce por

fermentación, pero puede obtenerse por procesos

térmicos.

Se denomina bioetanol para diferenciarlo de aquél

producido por síntesis a partir de hidrocarburos.

El etanol es un compuesto químico que corresponde

a las fórmula química CH3-CH2OH y la fórmula

molecular C2H5OH.


Bioetanol producido para su uso como combustible en general,

pero la mayor aplicación es en motores de combustión interna.

Etanol carburante o alcohol etílico carburante (AEC).

Se diferencia del etanol producido para otros fines: potable,

farmacéutico, perfumería, solvente, substrato de reacción

química, etc.

Tiene requisitos específicos de calidad. En Uruguay:

UNIT 1122:2009. Alcohol etílico anhidro combustible (AEAC).

Requisitos.

UNIT 1124:2010. Alcohol etílico hidratado combustible (AEHC).

Requisitos.

Requisitos específicos de producción.

Criterios de desarrollo sostenible para bioenergía.

¿Qué es bioetanol combustible?


Ley de Agrocombustibles N° 18195 del 14/11/2007 (Reglamentada

por Decreto 523/008)

Objeto principal: fomento y regulación de la producción,

comercialización y utilización de agrocombustibles nacionales

(básicamente etanol y biodiesel)

Otros objetivos: reducir gases de emisiones de gases efecto

invernadero, fomento de inversiones, desarrollo de tecnología

asociada al uso de insumos y equipos de origen nacional,

fortalecimiento de capacidades productivas, participación de

PyMES de origen agrícola o industrial, generación de empleo

especialmente en el interior, fomento del equilibrio entre

producción y cuidado del medio ambiente y la seguridad del

suministro energético.

Incorporación de etanol en gasolinas producido en el país con

materias primas nacionales:

Hasta 5% hasta el 2014-12-31

Mínimo 5% a partir de 2015.

Marco legal de promoción de agrocombustibles


Uso %

(en volumen) Observaciones

Aditivo

antidetonante < 5%

Razones ambientales

Sustitución del tetraetilo de plomo u

otros aditivos

Reducción del contenido de

aromáticos

Componente

oxigenado 5 a 8%

Reducción de emisiones

Compite con otros oxigenados

Sustitución

de gasolina

5 – 100%

(E5 – E100)

Obligatorio o voluntario según país

Niveles variables según país

Sustitución según tipo de vehículo

(Ejemplo: flex fuel vehicle, FFV)

Uso del etanol en gasolinas


Propiedad Unidad Especificación (límites)

Mínimo Máximo

Grado alcohólico a 20°C % (v/v) 99,6

Densidad absoluta a 20°C kg/m3 -- 791,5

Contenido de etanol % (v/v) 99,2 --

Contenido de metanol % (v/v) -- 0,4

Contenido de agua % (v/v) -- 0,4

pH - 6,5 9,0

Acidez total (como ácido acético) mg/L -- 30

Conductividad eléctrica a 25°C µS/m -- 500

Contenido de cobre mg/kg -- 0,07

Contenido de ion cloruro inorgánico mg/kg -- 10

Aspecto Límpido y exento de material en

suspensión o precipitado

Color Incoloro Fuente: Norma UNIT 1122:2009.

Especificación técnica de etanol combustible anhidro (UNIT)


Parámetro Unidad Gasolina Etanol

Poder calorífico inferior (LHV) MJ/kg 43,5 26,8

MJ/L 32,1 21,2

Densidad a 20°C kg/m3 0,72 – 0,78 0,789

RON - 90 – 100 102 – 130

MON - 80 – 92 89 - 96

Calor latente de vaporización kJ/kg 330 - 400 842 – 930

Relación estequiométrica aire -

combustible En peso 14,5 9,0

Presión de vapor kPa 40 – 65 15 – 17

Temperatura de ignición °C 220 420

Solubilidad en agua % en

volumen 0 100

Propiedades del etanol y de la gasolina

BNDES - CGEE (2008). Bioetanol de caña de azúca.r


Aumenta el octanaje, es posible usar una gasolina base de menor octanaje para las

mezclas.

La adición a la gasolina aumenta la presión de vapor: aumenta las emisiones

evaporativas.

El etanol tiene mayor calor de vaporización, posible problemas de funcionamiento en

épocas o climas fríos.

Menor densidad energética del etanol puede ser compensada por mayor eficiencia de

combustión.

Riesgo de separación de fases: aumenta en mezclas de bajo nivel de gasolina y a bajas

temperaturas. Acciones: especificación de etanol anhidro: máximo contenido de agua,

mínimo contenido de etanol, manejo seco, mezcla en línea en terminales de

distribución.

Riesgo de incompatibilidad del etanol con materiales plásticos: importante en vehículos

anteriores a 1980, corregido en motores e instalaciones actuales.

El etanol es más corrosivo para metales, básicamente asociado al agua. Acciones.

Instalaciones y equipos con recubrimiento protectores, especificación del etanol

limitando acidez, conductividad, pH e iones (cloruro, cobre, sulfato, hierro).

Reduce las emisiones de CO, SOx e hidrocarburos pero aumenta las de aldehídos.

Etanol como sustituto del etanol en vehículos


Porcentaje de mezcla de etanol en

gasolina (% en volumen)

Aumento del consumo (%)

Hasta 10% Despreciable

25% 3 - 5

100% 25 - 30

Rendimiento del etanol en vehículos (Brasil)

Fuente: Bioetanol de caña de azúcar: energía para el desarrollo sostenible / coordinación BNDES y CGEE. – Rio de

Janeiro : BNDES, 2008.


Uso de eucalipto en un concepto de producción de pulpa


Pretratamiento

Xilooligómeros

Hidrólisis

enzimática Fermentación

Etanol

Xilitol

Ácido láctico

Furfural

Xilosa

Polímeros (films)

Probióticos

Enzimas

Etanol

Lignina

Fenoles Aromáticos Potencia Calor/vapor

Switchgrass Destilación

Estrategia usada para el etanol de switchgrass


• 28% del consumo total final de energía mundial (2014).

• 28% del consumo total final de energía en el Uruguay (BEN 2016).

Alta participación en el consumo total final de energía

• 25% de las emisiones de CO2 totales mundiales (2014).

• 51% de las emisiones de CO2 totales de Uruguay (INGEI 2014).

Alta contribución en la emisión total de gases de efecto invernadero (GEI)

• 94% del consumo total final mundial proviene del petróleo (2014).

• 94% del consumo total final en el Uruguay proviene del petróleo (BEN 2016).

Alta dependencia del petróleo y baja diversificación de fuente de energía

• 4% del consumo total final mundial son biocombustibles (2016).

• 6% del consumo total final en el Uruguay son biocombustibles (BEN 2016).

Mayor dificultad que otros sectores para incorporar fuentes renovables de energía

Características globales del sector transporte: grandes números

BEN – Balance Energético Nacional – DNE – MIEM.

INGEI – Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero – DINAMA - MVOTMA


Flujo de comercio internacional de petróleo (2017)

BP Energy Outlook (2018).


Flujo de comercio internacional del etanol combustible (2015)


Flujo de comercio internacional de pellets (2015)

IEA Bioenergy – Task 40 (2017).



Demanda de energía primaria


Consumo de energía en transporte por tipo de combustible



RFA's Ethanol Industry Outlook 2018

Producción mundial de etanol combustible por país (2017)


Desarrollo del mercado mundial del etanol

0

20

40

60

80

100

120

140

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025

bln L

World ethanol production World ethanol tradeMillones de

metros cúbicos

OECD – FAO (20164). Agricultural Outlook 2016-2025


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

kte

p

Elaborado a partir de datos del BEN 2016 - DNE – MIEM

Consumo final nacional de etanol en el transporte (ktep)


Año

Consumo

final de

etanol

(m3)

Consumo

final total

de etanol

(ktep)

Consumo final

total de

gasolinas

(ktep)

Nivel de

sustitución

(% de

energía)

Nivel de

sustitución

(% en

volumen)

2010 1.800 0,9 391.0 0,2 0,4

2011 14.800 7,5 445,0 1,7 2,6

2012 24.900 12,6 490,0 2,6 4,0

2013 31.200 15,8 526,5 3,0 4,7

2014 34.700 17,6 561,0 3,1 4,9

2015 61.100 31,0 598.9 5,2 8,1

2016 78.700 39,9 631,7 6,3 9,8

Consumo final nacional de etanol combustible en el transporte

Elaborado a partir de datos del BEN 2016 - DNE – MIEM

El consumo final de gasolinas incluye el etanol mezclado.

bioetanol combustible tecnología y desarrollo sostenible

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