Biocombustible

El biocombustible es un combustible que se produce en un corto período de tiempo a partir de biomasa, en lugar de procesos naturales muy lentos involucrados en la formación de combustibles fósiles, como el petróleo. Dado que la biomasa se puede usar como combustible directamente (p. ej., troncos de madera), algunas personas usan las palabras biomasa y biocombustible indistintamente. Sin embargo, la palabra biocombustible suele reservarse para los combustibles líquidos o gaseosos, utilizados para el transporte. La Administración de Información de Energía de EE. UU. (EIA) sigue esta práctica de nomenclatura.

El biocombustible se puede producir a partir de plantas o de biorresiduos agrícolas, domésticos o industriales. El potencial de mitigación de gases de efecto invernadero de los biocombustibles varía considerablemente, desde niveles de emisión comparables a los de los combustibles fósiles en algunos escenarios hasta emisiones negativas en otros. Para obtener una descripción general de este debate, consulte la página de biomasa.

Los dos tipos más comunes de biocombustibles son el bioetanol y el biodiesel. EE.UU. es el mayor productor de bioetanol, mientras que la UE es el mayor productor de biodiesel. El contenido energético en la producción mundial de bioetanol y biodiesel es de 2,2 y 1,5 EJ por año, respectivamente.

• El bioetanol es un alcohol elaborado por fermentación, principalmente a partir de carbohidratos producidos en cultivos de azúcar o almidón como el maíz, la caña de azúcar o el sorgo dulce. La biomasa celulósica, derivada de fuentes no alimentarias, como árboles y pastos, también se está desarrollando como materia prima para la producción de etanol. El etanol se puede usar como combustible para vehículos en su forma pura (E100), pero generalmente se usa como aditivo de gasolina para aumentar el octanaje y mejorar las emisiones de los vehículos.
• El biodiesel se produce a partir de aceites o grasas mediante transesterificación. Puede usarse como combustible para vehículos en su forma pura (B100), pero generalmente se usa como un aditivo diésel para reducir los niveles de partículas, monóxido de carbono e hidrocarburos de los vehículos diésel.

En 2019, la producción mundial de biocombustibles proporcionó el 3 % de los combustibles del mundo para el transporte por carretera y una cantidad muy pequeña de biocombustibles para la aviación. La Agencia Internacional de Energía quiere que los biocombustibles satisfagan más de una cuarta parte de la demanda mundial de combustibles para el transporte para 2050, con el fin de reducir la dependencia del petróleo. Sin embargo, la producción y el consumo de biocombustibles no van por buen camino para cumplir con el escenario de desarrollo sostenible de la AIE. De 2020 a 2030, la producción mundial de biocombustibles debe aumentar un 10 % cada año para alcanzar el objetivo de la AIE.

Generaciones

Primero

Los biocombustibles de primera generación son combustibles elaborados a partir de cultivos alimentarios cultivados en tierras de cultivo. El contenido de azúcar, almidón o aceite del cultivo se convierte en biodiesel o etanol mediante transesterificación o fermentación de levadura. Los investigadores discrepan sobre el impacto climático de los biocombustibles de primera generación. Por ejemplo, en los Estados Unidos, algunos argumentan que las emisiones del etanol a base de maíz son más altas que las del petróleo, mientras que otros argumentan que son más bajas.

Segundo

Los biocombustibles de segunda generación son combustibles fabricados a partir de biomasa lignocelulósica o leñosa, o residuos/desechos agrícolas. La materia prima utilizada para fabricar los combustibles crece en tierras cultivables pero son subproductos del cultivo principal, o se cultivan en tierras marginales. Las materias primas de segunda generación incluyen paja, bagazo, pastos perennes, jatrofa, aceite vegetal de desecho, desechos sólidos municipales, etc. Se cree que el uso de esta clase de biocombustibles aumenta la sostenibilidad ambiental, ya que la parte no alimentaria de las plantas se utiliza para producir biocombustibles de segunda generación, en lugar de desecharse. Pero el uso de esta clase de biocombustibles aumenta la competencia por la biomasa lignocelulósica, aumentando el costo de producción de estos biocombustibles.Aunque el uso de esta clase de biocombustibles reduce las emisiones de carbono, su uso no genera emisiones netas de carbono cero.

Tercera

Las algas se pueden producir en estanques o tanques en tierra y en el mar. Los combustibles de algas tienen altos rendimientos, se pueden cultivar con un impacto mínimo en los recursos de agua dulce, se pueden producir utilizando agua salada y aguas residuales, tienen un alto punto de ignición y son biodegradables y relativamente inofensivos para el medio ambiente si se derraman. La producción requiere grandes cantidades de energía y fertilizantes, el combustible producido se degrada más rápido que otros biocombustibles y no fluye bien en temperaturas frías. Para 2017, debido a consideraciones económicas, la mayoría de los esfuerzos para producir combustible a partir de algas se abandonaron o cambiaron a otras aplicaciones.

Cuatro

Esta clase de biocombustibles incluye los electrocombustibles y los combustibles solares. Los electrocombustibles se fabrican almacenando energía eléctrica en los enlaces químicos de líquidos y gases. Los objetivos principales son el butanol, el biodiésel y el hidrógeno, pero incluyen otros alcoholes y gases que contienen carbono, como el metano y el butano. Un combustible solar es un combustible químico sintético producido a partir de la energía solar. La luz se convierte en energía química, normalmente mediante la reducción de protones a hidrógeno o dióxido de carbono a compuestos orgánicos.

Los biocombustibles de cuarta generación también incluyen biocombustibles producidos por organismos creados mediante bioingeniería, es decir, algas y cianobacterias. Las algas y las cianobacterias utilizarán agua, dióxido de carbono y energía solar para producir biocombustibles. Este método de producción de biocombustibles aún se encuentra en el nivel de investigación. Se espera que los biocombustibles que son secretados por los organismos modificados genéticamente tengan una mayor eficiencia de conversión de fotones en combustible, en comparación con las generaciones anteriores de biocombustibles. Una de las ventajas de esta clase de biocombustibles es que el cultivo de los organismos que producen los biocombustibles no requiere el uso de tierras cultivables. Las desventajas incluyen que el costo de cultivar los organismos productores de biocombustibles es muy alto.

Tipos

Los siguientes combustibles se pueden producir utilizando procedimientos de producción de biocombustibles de primera, segunda, tercera o cuarta generación. La mayoría de estos se pueden producir utilizando dos o tres de los diferentes procedimientos de generación de biocombustibles.

Gaseoso

Biogás y biometano

El biogás es metano producido por el proceso de digestión anaerobia de material orgánico por anaerobios. Se puede producir a partir de materiales de desecho biodegradables o mediante el uso de cultivos energéticos alimentados en digestores anaeróbicos para complementar la producción de gas. El subproducto sólido, el digestato, se puede utilizar como biocombustible o fertilizante. Cuando el CO ₂ y otras impurezas se eliminan del biogás, se denomina biometano.

El biogás se puede recuperar de los sistemas de procesamiento de residuos de tratamiento biológico mecánico. El gas de vertedero, una forma menos limpia de biogás, se produce en los vertederos a través de la digestión anaeróbica natural. Si escapa a la atmósfera, actúa como un gas de efecto invernadero.

Los agricultores pueden producir biogás a partir del estiércol de su ganado utilizando digestores anaeróbicos.

Gas de síntesis

El gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y otros hidrocarburos, se produce por combustión parcial de biomasa, es decir, combustión con una cantidad de oxígeno que no es suficiente para convertir la biomasa por completo en dióxido de carbono y agua. Antes de la combustión parcial, la biomasa se seca y, a veces, se piroliza. La mezcla de gas resultante, el gas de síntesis, es más eficiente que la combustión directa del biocombustible original; se extrae más de la energía contenida en el combustible.

El gas de síntesis puede quemarse directamente en motores de combustión interna, turbinas o celdas de combustible de alta temperatura. El generador de gas de madera, un reactor de gasificación alimentado con madera, se puede conectar a un motor de combustión interna.

El gas de síntesis se puede utilizar para producir metanol, DME e hidrógeno, o se puede convertir a través del proceso Fischer-Tropsch para producir un sustituto del diésel o una mezcla de alcoholes que se pueden mezclar con la gasolina. La gasificación normalmente se basa en temperaturas superiores a 700 °C.

La gasificación a baja temperatura es deseable cuando se coproduce biocarbón, pero da como resultado gas de síntesis contaminado con alquitrán.

Líquido

Etanol

Los alcoholes producidos biológicamente, más comúnmente el etanol y menos comúnmente el propanol y el butanol, son producidos por la acción de microorganismos y enzimas a través de la fermentación de azúcares o almidones (más fácil) o celulosa (que es más difícil). A menudo se afirma que el biobutanol (también llamado biogasolina) proporciona un reemplazo directo de la gasolina, ya que puede usarse directamente en un motor de gasolina.

El combustible de etanol es el biocombustible más común en todo el mundo, particularmente en Brasil. Los combustibles alcohólicos se producen mediante la fermentación de azúcares derivados del trigo, el maíz, la remolacha azucarera, la caña de azúcar, la melaza y cualquier azúcar o almidón a partir del cual se puedan elaborar bebidas alcohólicas como el whisky (como los desechos de patatas y frutas, etc.). Los métodos de producción de etanol utilizados son la digestión enzimática (para liberar los azúcares de los almidones almacenados), la fermentación de los azúcares, la destilación y el secado. El proceso de destilación requiere un importante aporte de energía para el calor (a veces, combustible fósil de gas natural insostenible, pero la biomasa celulósica como el bagazo, los desechos que quedan después de prensar la caña de azúcar para extraer su jugo, es el combustible más común en Brasil, mientras que los pellets, las astillas de madera y también el calor residual son más comunes en Europa) Combustibles de vapor residual Fábrica de etanol– donde el calor residual de las fábricas también se utiliza en la red de calefacción urbana.

El etanol se puede usar en motores de gasolina como reemplazo de la gasolina; se puede mezclar con gasolina a cualquier porcentaje. La mayoría de los motores de gasolina de automóviles existentes pueden funcionar con mezclas de hasta un 15 % de bioetanol con petróleo/gasolina. El etanol tiene una densidad energética menor que la de la gasolina; esto significa que se necesita más combustible (volumen y masa) para producir la misma cantidad de trabajo. Una ventaja del etanol (CH₃CH₂OH) es que tiene un índice de octanaje más alto que la gasolina sin etanol disponible en las gasolineras de carretera, lo que permite un aumento de la relación de compresión del motor para una mayor eficiencia térmica. En lugares de gran altitud (aire enrarecido), algunos estados exigen una mezcla de gasolina y etanol como oxidante de invierno para reducir las emisiones de contaminación atmosférica.

El etanol también se utiliza para alimentar chimeneas de bioetanol. Como no necesitan chimenea y son "sin chimenea", las chimeneas de bioetanol son muy útiles para viviendas y apartamentos de nueva construcción sin chimenea. Las desventajas de estas chimeneas es que su salida de calor es ligeramente menor que la calefacción eléctrica o los fuegos de gas, y se deben tomar precauciones para evitar el envenenamiento por monóxido de carbono.

La conversión de maíz en etanol y otras reservas de alimentos ha llevado al desarrollo del etanol celulósico. Según una agenda de investigación conjunta realizada a través del Departamento de Energía de EE. UU., las proporciones de energía fósil (FER) para el etanol celulósico, el etanol de maíz y la gasolina son 10,3, 1,36 y 0,81, respectivamente.

El etanol tiene aproximadamente un tercio menos de contenido energético por unidad de volumen en comparación con la gasolina. Esto se ve contrarrestado en parte por la mejor eficiencia cuando se usa etanol (en una prueba a largo plazo de más de 2,1 millones de km, el proyecto BEST descubrió que los vehículos FFV son entre un 1 y un 26 % más eficientes energéticamente que los automóviles de gasolina, pero el consumo volumétrico aumenta en aproximadamente un 30%, por lo que se requieren más paradas de combustible).

Otros bioalcoholes

El metanol se produce actualmente a partir de gas natural, un combustible fósil no renovable. En el futuro se espera que se produzca a partir de biomasa como biometanol. Esto es técnicamente factible, pero la producción se está posponiendo actualmente por preocupaciones de que la viabilidad económica aún está pendiente. La economía del metanol es una alternativa a la economía del hidrógeno que contrasta con la producción actual de hidrógeno a partir del gas natural.

Butanol (C₄H₉OH) se forma por fermentación ABE (acetona, butanol, etanol) y las modificaciones experimentales del proceso muestran ganancias netas de energía potencialmente altas con butanol como único producto líquido. El butanol producirá más energía que el etanol debido a su menor contenido de oxígeno y supuestamente se puede quemar "directamente" en los motores de gasolina existentes (sin modificar el motor o el automóvil), y es menos corrosivo y menos soluble en agua que el etanol, y podría ser distribuidos a través de las infraestructuras existentes. DuPont y BP están trabajando juntos para ayudar a desarrollar butanol. Las cepas de Escherichia coli también se han diseñado con éxito para producir butanol modificando su metabolismo de aminoácidos. Un inconveniente de la producción de butanol en E. coli sigue siendo el alto costo de los medios ricos en nutrientes; sin embargo, un trabajo reciente ha demostrado que E. coli puede producir butanol con un suplemento nutricional mínimo.

Biodiésel

El biodiesel es el biocombustible más común en Europa. Se produce a partir de aceites o grasas mediante transesterificación y es un líquido de composición similar al diesel fósil/mineral. Químicamente, se compone principalmente de ésteres metílicos (o etílicos) de ácidos grasos (FAME). Las materias primas para el biodiésel incluyen grasas animales, aceites vegetales, soja, colza, jatropha, mahua, mostaza, lino, girasol, aceite de palma, cáñamo, pennycress, Pongamia pinnata y algas. El biodiésel puro (B100, también conocido como biodiésel "puro") actualmente reduce las emisiones hasta en un 60 % en comparación con el diésel B100 de segunda generación. A partir de 2020, los investigadores de CSIRO de Australia han estado estudiando el aceite de cártamo como lubricante para motores, y los investigadores del Centro de Combustibles Avanzados de la Universidad Estatal de Montana en los EE.

El biodiésel se puede utilizar en cualquier motor diésel y equipo modificado cuando se mezcla con diésel mineral. También se puede utilizar en su forma pura (B100) en motores diésel, pero pueden producirse algunos problemas de mantenimiento y rendimiento durante el uso en invierno, ya que el combustible se vuelve algo más viscoso a temperaturas más bajas, dependiendo de la materia prima utilizada.

En algunos países, los fabricantes cubren sus motores diésel con garantía para el uso de B100, aunque Volkswagen de Alemania, por ejemplo, pide a los conductores que consulten por teléfono con el departamento de servicios ambientales de VW antes de cambiar a B100. En la mayoría de los casos, el biodiésel es compatible con los motores diésel a partir de 1994, que utilizan caucho sintético 'Viton' (de DuPont) en sus sistemas mecánicos de inyección de combustible. Sin embargo, tenga en cuenta que ningún vehículo está certificado para usar biodiesel puro antes de 2014, ya que no había un protocolo de control de emisiones disponible para biodiesel antes de esta fecha.

Los sistemas de tipo 'common rail' y 'Unit Injector' controlados electrónicamente desde finales de la década de 1990 en adelante solo pueden usar biodiésel mezclado con combustible diésel convencional. Estos motores tienen sistemas de inyección de etapas múltiples finamente dosificados y atomizados que son muy sensibles a la viscosidad del combustible. Muchos motores diesel de la generación actual están hechos para que puedan funcionar con B100 sin alterar el motor en sí, aunque esto depende del diseño del riel de combustible. Dado que el biodiesel es un solvente efectivo y limpia los residuos depositados por el diesel mineral, es posible que sea necesario reemplazar los filtros del motor con más frecuencia, ya que el biocombustible disuelve los depósitos viejos en el tanque de combustible y las tuberías. También limpia eficazmente la cámara de combustión del motor de los depósitos de carbón, lo que ayuda a mantener la eficiencia. En muchos países europeos,El biodiésel también es un combustible oxigenado, lo que significa que contiene una cantidad reducida de carbono y un mayor contenido de hidrógeno y oxígeno que el diésel fósil. Esto mejora la combustión de biodiesel y reduce las emisiones de partículas del carbón no quemado. Sin embargo, el uso de biodiesel puro puede aumentar las emisiones de NOx _.

El biodiésel también es seguro de manipular y transportar porque no es tóxico y es biodegradable, y tiene un punto de inflamación alto de aproximadamente 300 °F (148 °C) en comparación con el combustible diésel de petróleo, que tiene un punto de inflamación de 125 °F (52 ºC).

En los EE. UU., más del 80 % de los camiones comerciales y los autobuses urbanos funcionan con diésel. Se estima que el mercado emergente de biodiésel de EE. UU. ha crecido un 200% entre 2004 y 2005. "A finales de 2006, se estimó que la producción de biodiésel se cuadriplicó [desde 2004] a más de" 1.000 millones de galones estadounidenses (3.800.000 m3).

En Francia, el biodiésel se incorpora a razón del 8% en el combustible utilizado por todos los vehículos diésel franceses. Avril Group produce bajo la marca Diester, una quinta parte de los 11 millones de toneladas de biodiesel que consume anualmente la Unión Europea. Es el primer productor europeo de biodiesel.

Diésel verde

El diesel verde se produce a través del hidrocraqueo de materias primas de aceite biológico, como aceites vegetales y grasas animales. El hidrocraqueo es un método de refinería que utiliza temperaturas y presiones elevadas en presencia de un catalizador para descomponer moléculas más grandes, como las que se encuentran en los aceites vegetales, en cadenas de hidrocarburos más cortas que se utilizan en los motores diésel. También puede denominarse diésel renovable, aceite vegetal hidrotratado (combustible HVO) o diésel renovable derivado del hidrógeno. A diferencia del biodiesel, el diesel verde tiene exactamente las mismas propiedades químicas que el diesel a base de petróleo. No requiere nuevos motores, tuberías o infraestructura para su distribución y uso, pero no ha sido producido a un costo competitivo con el petróleo. También se están desarrollando versiones de gasolina.El diesel verde está siendo desarrollado en Louisiana y Singapur por ConocoPhillips, Neste Oil, Valero, Dynamic Fuels y Honeywell UOP, así como por Preem en Gotemburgo, Suecia, creando lo que se conoce como Evolution Diesel.

Aceite vegetal puro

El aceite vegetal comestible puro no modificado generalmente no se usa como combustible, pero se ha usado aceite de menor calidad para este propósito. El aceite vegetal usado se procesa cada vez más en biodiesel, o (más raramente) se limpia de agua y partículas y luego se usa como combustible.

Al igual que con el 100 % de biodiésel (B100), para garantizar que los inyectores de combustible atomicen el aceite vegetal en el patrón correcto para una combustión eficiente, el combustible de aceite vegetal debe calentarse para reducir su viscosidad a la del diésel, ya sea mediante serpentines eléctricos o intercambiadores de calor. Esto es más fácil en climas cálidos o templados. MAN B&W Diesel, Wärtsilä y Deutz AG, así como varias empresas más pequeñas, como Elsbett, ofrecen motores que son compatibles con aceite vegetal puro, sin necesidad de modificaciones posventa.

El aceite vegetal también se puede usar en muchos motores diesel más antiguos que no usan sistemas de inyección diesel electrónica common rail o de inyección unitaria. Por el diseño de las cámaras de combustión en los motores de inyección indirecta, estos son los mejores motores para uso con aceite vegetal. Este sistema permite que las moléculas de aceite relativamente más grandes tengan más tiempo para quemarse. Algunos motores más antiguos, especialmente Mercedes, son conducidos experimentalmente por entusiastas sin ninguna conversión. Un puñado de conductores ha experimentado un éxito limitado con motores VW TDI anteriores a "Pumpe Duse" y otros motores similares con inyección directa. Varias empresas, como Elsbett o Wolf, han desarrollado kits de conversión profesionales e instalado con éxito cientos de ellos durante las últimas décadas.

Los aceites y las grasas pueden reaccionar con 10 libras de un alcohol de cadena corta (generalmente metanol) en presencia de un catalizador (generalmente hidróxido de sodio [NaOH]) hidrogenado para dar un sustituto del diésel. El producto resultante es un hidrocarburo de cadena lineal con una alto número de cetano, bajo en aromáticos y azufre y no contiene oxígeno.Los aceites hidrogenados se pueden mezclar con diesel en todas las proporciones.Tienen varias ventajas sobre el biodiesel, incluido el buen rendimiento a bajas temperaturas, sin problemas de estabilidad de almacenamiento y sin susceptibilidad al ataque microbiano..

Bioéteres

Los bioéteres (también conocidos como éteres de combustible o combustibles oxigenados) son compuestos rentables que actúan como potenciadores del octanaje. Los bioéteres se producen por la reacción de isoolefinas reactivas, como el isobutileno, con bioetanol. Los bioéteres se crean a partir del trigo o la remolacha azucarera, y también se producen a partir del glicerol residual que resulta de la producción de biodiesel. También mejoran el rendimiento del motor, al tiempo que reducen significativamente el desgaste del motor y las emisiones tóxicas de escape. Aunque es probable que los bioéteres reemplacen a los petroéteres en el Reino Unido, es muy poco probable que se conviertan en un combustible por sí mismos debido a la baja densidad de energía. Al reducir en gran medida la cantidad de emisiones de ozono a nivel del suelo, contribuyen a la calidad del aire.

Cuando se trata de combustible para transporte, hay seis aditivos de éter: éter dimetílico (DME), éter dietílico (DEE), éter terc -butílico metílico (MTBE), éter terc -butílico etílico (ETBE), éter metílico terc -amil (TAME), y terc -amil etil éter (TAEE).

La Asociación Europea de Combustibles Oxigenados (EFOA) identifica el metil terc - butil éter (MTBE) y el etil terc - butil éter (ETBE) como los éteres más utilizados en combustible para reemplazar el plomo. Los éteres se introdujeron en Europa en la década de 1970 para reemplazar el compuesto altamente tóxico. Aunque los europeos todavía usan aditivos de bioéter, los EE. UU. ya no tienen un requisito de oxigenado, por lo tanto, los bioéteres ya no se usan como el principal aditivo de combustible.