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Introducción a los biocombustibles
Biología y Laboratorio de Biocombustibles
M. en C. Gustavo Pérez Ortiz
¿Qué son los biocombustibles?
Un combustible es cualquier sustancia de la que los seres humanos pueden obtener energía.
Un biocombustible se define como cualquier combustible cuya energía se obtiene a través
de procesos fijación biológica del carbono.
Fijación de carbono
La fijación de carbono es un proceso por el cual se toma una forma inorgánica de carbono (en forma de CO2, por ejemplo) y se convierte en un compuesto orgánico.
En otras palabras, todo proceso que convierte el bióxido de carbono en moléculas orgánicas.
Si alguna de esas sustancias orgánicas puede ser usada para producir energía mecánica, bueno, entonces tiene un combustible.
Otra definición de biocombustible
Un hidrocarburo que es producido por o a partir de un organismo vivo y que puede ser utilizado como fuente de energía.
En la práctica, cualquier combustible que es producido de materia viva en un corto periodo de tiempo es considerado un biocombustible.
Esto contrasta con los combustibles fósiles cuya producción toma millones de años, y con otros combustibles que no se basan en hidrocarburos (fusión nuclear, por ejemplo).
Biocombustibles
Los biocombustibles no solo se producen a través de organismos, sino también pueden ser fabricados usando reacciones químicas.
El verdadero requisito para un biocombustible es que la materia inicial sea el bióxido de carbono, el cual es fijado (convertido a otra molécula) por un organismo vivo, y que el combustible final sea producido rapidamente.
Combustible fósil
¿Porqué producir biocombustibles?
Los combustibles fósiles se consideran no renovables, por lo tanto van a terminarse en un futuro.
Se piensa que, si podemos producir hidrocarburos de otra clase, en gran cantidad y rápidamente, entonces podremos cumplir con nuestra demanda energética.
Biomasa
La biomasa es simplemente materia orgánica muerta. Mazorcas de maíz, restos de algas marinas, bagazo de caña de azucar, residuos de animales y humanos, etc.
Renovable o no-renovable
El combustible fósil se considera no-renovable porque le toma millones de años para formase.
En podemos esperar tanto. Los biocombustibles, por otro lado, provienen
de biomasa, la cual puede producirse fácilmente o ser aprovechada de desechos. Esto quiere decir que la biomasa y los biocombustibles son renovables (se remplazan en un corto periodo de tiempo).
Energía renovable no es lo mismo que energía verde
La energía renovable es aquella que simplemente no va a acabarse, como por ejemplo: los biocombustibles, hidroeléctrica, eólica, solar, etc.
La energía “verde” es aquella que no daña o daña muy poco los ecosistemas, no contamina.
No todas las energías renovables son energías verdes.
Biocombustibles VS combustibles fósiles
Los factores que determinan el uso de uno u otro son el costo, la disponibilidad y la provisión de alimento.
Bombear combustible del subsuelo es cada vez más difícil y costoso, lo que incrementa su precio. La disponibilidad va disminuyendo con el tiempo y esto también incremente su precio. Sin embargo, nuevas técnicas de extracción reducen los costos.
Se piensa que la producción de biocombustibles esta limitada por la producción de biomasa. Simplemente no hay suficiente área para sembrar y obtener más biomasa.
El otro problema es que se utiliza una gran cantidad de terreno para sembrar plantas para el consumo humano y animal.
El equilibro entre alimentos y biocombustibles mantiene alto el costo de los biocombustibles.
Biocombustibles VS combustibles fósiles
Este problema se puede solucionar usando algas que crecen en el océano como biomasa.
La energía que se emplea para producir un combustible tiene que ser menor que la energía que se obtiene del combustible.
Un estudio de la Universidad de Cornell encontró que para producir etanol se consume 30% más energía de la que se obtiene del etanol.
Biocombustibles VS combustibles fósiles
Otro problema es la cantidad de energía que se obtiene de uno y de otro.
El etanol tiene, aproximadamente, la mitad de la energía por masa de gasolina, lo que quiere decir que se necesita el doble de etanol para obtener la misma energía que de la gasolina. El otro problema es que el motor tiene que ser modificado para funcionar con etanol.
El biodiesel tiene menos energía que el diesel regular pero es más corrosivo para el motor, por lo que este tiene que ser adaptado.
El Metanol, tiene 1/3 de la energía del metano, pero es más fácil de manejar y transportar.
El butanol tiene menos energía que la gasolina pero no necesita que se modifique el motor para su funcionamiento.
Biocombustibles y calentamiento global
Se sabe que los biocombustibles producen dióxido de carbono, que es potencialmente un gas invernadero al que se le culpa del calentamiento global.
Sin embargo, las plantas que se usan para producir biocombustibles consumen CO2.
Entonces, las plantas que se siembran para producir biocombustibles consumen la misma cantidad de CO2 que se produce cuando se quema el biocombustible. Por lo tanto, el incremento en la cantidad de CO2 es cero.
Sin embargo, el CO2 no es el único gas invernadero que se produce al quemar biocombustibles.
Biodiversidad y biocombustibles
Muchos procesos de fabricación de biocombustibles son muy especializados en un solo tipo de planta.
Si se selecciona un solo tipo de maíz, por su productividad, poco consumo de agua, rápido crecimiento, fácil fermentación, etc., puede ser la mejor opción. Sin embargo, las plagas que consumen este tipo de maíz pueden proliferar.
Si se emplea un pesticida para matar a estos insectos, algunos podrían volverse resistentes. Esta superplaga podría terminar, con el tiempo con la producción de maíz y destruir la producción de biocombustibles.
Se tienen que diseñar procesos de fabricación de biocombustibles que puedan funcionar con diferentes tipos de materiales.
Historia de los biocombustibles
Los biocombustibles no son algo nuevo. De hecho, Henry Ford diseñó originalmente el Modelo T para funcionar con etanol.
Primera generación de biocombustibles
La primera generación se producen a partir de cultivos de uso alimenticio.
Es importante señalar que la naturaleza química de los biocombustibles no cambia dependiendo de la generación a la que pertenecen, sino de la materia prima que se emplea para su producción.
Los cultivos más comunes usados para producir los biocombustibles de primera generación son el maíz, la caña de azúcar y la soya.
Maíz
Principal fuente de etanol a nivel mundial. En el 2012, más del 40% de etanol producido en Estados Unidos era a partir de maíz.
Ventajas:
La infraestructura para sembrarlo
ya existe.
Es relativamente fácil convertir
el maíz en etanol.
Se puede usar toda la planta
para producir el etanol, no solo
el grano.
Maíz
Desventajas:
Alto requerimiento de pesticidas y fertilizante (caros).
Es un alimento muy importante.
El índice de producción es bajo: 350 galones de combustible por acre.
El rendimiento energético es de 1.2, el cual es apenas positivo.
En general, el maíz no podrá ser usado activamente en la producción de biocombustibles por su importancia en la cadena alimenticia para el ser humano.
Caña de azúcar
La mayor parte de la caña de azúcar se produce en Brasil, el cual fue el principal productor de alcohol como combustible hasta ser desplazado por Estados Unidos.
A diferencia del maíz, de la caña de azúcar se obtiene sacarosa, la cual es muy fácil de convertir en etanol. Mientras que para la producción de alcohol a partir de maíz se requiere de calentar la mezcla y luego fermentar, con azúcar solo se requiere fermentar.
Caña de azúcarVentajas Infraestructura existente El rendimiento energético es alto, de al rededor de 650
galones por acre. La emisión de dióxido de carbono es 90% menor que
usando gasolina
Desventajas Aunque el rendimiento es alto, sigue siendo
relativamente bajo. Pocas regiones en el mundo son aptas para su cultivo Es una fuente alimenticia.
Soya
A diferencia del maíz y la caña de azúcar, la soya se puede sembrar en la mayor parte del mundo. El 32% de la producción mundial de soya proviene de Estados Unidos.
La soya se utiliza para producir biodiesel en lugar de bioetanol.
SoyaVentajas
Crece en muchas regiones del mundo.
Mantenimiento relativamente sencillo.
Desventajas
Su rendimiento es solo de 70 galones por acre, el peor rendimiento para cualquier cultivo. El aceite de palma produce 10 veces más.
Es una fuente de alimento importante.
Problemas fuertes de plagas.
Se emplea más energía para cultivarlo que la que se obtiene de él.
Aceite vegetal
El cual se puede obtener de una variedad de plantas se puede utilizar también de forma directa como combustible, no solo para freír alimentos o para producir biodiesel.
Ventajas
Fácil de convertir en biodiesel o puede usarse directamente en motores diesel con pequeñas modificaciones.
Está disponible mundialmente.
Desventajas
Importante papel alimenticio
Puede dañar el motor si no es refinado previamente
Produce altas cantidades de CO2
Otros cultivos candidatos
Trigo, remolacha, semilla de colza, cacahuate, y una gran cantidad de otros cultivos utilizados en la alimentación humana y animal puede ser candidatos para producir biocombustibles. Sin embargo, todos ellos presentan las mismas desventajas así como poner en riesgo el abastecimiento alimenticio de la población.
Biocombustibles de segunda generación
También conocidos como biocombustibles avanzados. La diferencia con los de primera generación es que
los cultivos usados para su producción no pueden ser usados para consumo humano.
También se requiere que crezcan en terrenos donde las plantas para alimento no. Así no compiten por el mismo espacio.
Además, se trata que estos no consuman grandes cantidades de agua para crecer.
Se requieren técnicas diferentes para extraer energía de ellos, aunque también se pueden quemar directamente.
Técnicas de extracción
Muchos de estos cultivos son ricos en celulosa y lignocelulosa, las cuales requieren de distintos procedimientos previos antes de poder fermentarlos. Algunos ejemplos son:
Gasificación Pyrolisis Torrefacción Modificación genética Tratamiento enzimático
Glicosido hidrolasa
Recientemente se descubrió una enzima que tiene el potencial de convertir la celulosa en glucosa en el barrenador marino (Limnoria quadripunctata).
Pasto
Una gran cantidad de especie de pasto pueden ser fermentados para producir bioetanol. La selección de estos va a depender del clima donde se piensa cultivar.
Pasto
Ventajas
Solo se tienen que sembrar una vez.
Rápido crecimiento.
Se pueden usar directamente como combustible.
Tiene un rendimiento relativamente alto del 540%.
Desventajas
Requieren de un proceso muy largo.
Requiere de una inversión inicial grande antes de sembrarlo.
No crecen bien en climas secos.
Jatrofa y otras semillas
Estás son usadas para producir biodiesel. La jatrofa tiene un rendimiento del 40%, el cual es alto con comparación con el 15% de la soya.
Otras semillas oleaginosas como la cammelina, el aceite de palma, etc también se utilizan para producir biodiesel.
Aceite vegetal usado
WVO (waste vegetable oil) es usado considerado un biocombustible secundario porque ya cumplió con su función alimenticia.
De hecho, reciclar el aceite vegetal ayuda a disminuir el impacto en el medio ambiente.
Aceite vegetal usado
Ventajas Altamente disponible. Fácil de convertir en biodiesel. Se puede usar directamente.
Desventajas Puede reducir la vida del motor si no es
apropiadamente refinado,
Biocombustibles de tercera generación
Se refiere al biocombustible producido con alga marina. Al principio se le catalogaba como de segunda
generación, sin embargo, al hacerse evidente que las algas producían mayores rendimientos que cualquier otro cultivo y con pocos recursos, se decidió moverlo de categoría.
Microalga
En primer lugar, el alga produce un aceite que es fácilmente extraible y puede ser usado para producir diesel y ciertos componentes de la gasolina.
Incluso el alga puede ser modificado genéticamente para producir directamente etanol, butanol e incluso gasolina.
Microalga
El alga puede producir rendimientos de 9000 galones por acre. Incluso hay investigadores que aseguran que se pueden alcanzar rendimientos de 20000 galones por acre.
Técnicas de cultivo
Tanque abierto: el alga crece al aire libre en tanque llenos de agua. Tiene costos bajos de mantenimiento pero bajo rendimiento.
Sistemas de circulación cerrados: similares a los primeros, pero están aislados de la atmósfera y el alga recibe CO2 artificialmente para aumentar su crecimiento.
Fotobioreactores: son los más eficientes pero requieren de una alta inversión
Desventajas
Consume una gran cantidad de agua potable. Requieren de fertilizantes. La producción de
fertilizantes puede llegar a ser muy costosa y contaminante.
El costo es más alto que con otros biocombustibles.
Su producción masiva sigue siendo costosa y se espera que se vuelva viable en 25 años, mínimo.
