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Biocombustibles de segunda generación

Los biocombustibles de segunda generación , también conocidos como biocombustibles avanzados , son combustibles que pueden fabricarse a partir de diversos tipos de biomasa no al...

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Los biocombustibles de segunda generación , también conocidos como biocombustibles avanzados , son combustibles que pueden fabricarse a partir de diversos tipos de biomasa no alimentaria . En este contexto, biomasa se refiere a materiales vegetales y desechos animales utilizados especialmente como fuente de combustible. [ 1 ]

Los biocombustibles de primera generación se elaboran a partir de materias primas de almidón de azúcar (por ejemplo, caña de azúcar y maíz ) y materias primas de aceites comestibles (por ejemplo, aceite de colza y de soja ), que generalmente se convierten en bioetanol y biodiésel , respectivamente. [ 2 ]

Los biocombustibles de segunda generación se elaboran a partir de distintas materias primas y, por lo tanto, pueden requerir tecnologías diferentes para extraer la energía útil de ellos. Las materias primas de segunda generación incluyen biomasa lignocelulósica o cultivos leñosos, residuos agrícolas o desechos, así como cultivos energéticos no alimentarios específicos cultivados en tierras marginales no aptas para la producción de alimentos. [ 3 ]

El término biocombustibles de segunda generación se utiliza de forma imprecisa para describir tanto la tecnología «avanzada» empleada para transformar materias primas en biocombustibles, como el uso de cultivos no alimentarios, biomasa y residuos como materias primas en tecnologías de procesamiento de biocombustibles «estándar», si procede. [ 4 ] Esto genera cierta confusión. Por lo tanto, es importante distinguir entre materias primas de segunda generación y tecnologías de procesamiento de biocombustibles de segunda generación.

El desarrollo de biocombustibles de segunda generación se ha visto impulsado por el dilema entre alimentos y combustibles, en relación con el riesgo de destinar tierras agrícolas o cultivos a la producción de biocombustibles en detrimento del suministro de alimentos . El debate sobre el precio de los biocombustibles y los alimentos abarca una amplia gama de opiniones y es un tema recurrente y controvertido en la literatura especializada.

Introducción

Se han desarrollado tecnologías de biocombustibles de segunda generación para permitir el uso de materias primas no alimentarias debido a las preocupaciones sobre la seguridad alimentaria causadas por el uso de cultivos alimentarios para la producción de biocombustibles de primera generación . [ 5 ] La desviación de biomasa alimentaria comestible a la producción de biocombustibles podría, en teoría, generar competencia con los usos alimentarios y de la tierra para cultivos alimentarios.

El bioetanol de primera generación se produce mediante la fermentación de azúcares derivados de plantas para obtener etanol , utilizando un proceso similar al empleado en la elaboración de cerveza y vino (véase Fermentación de etanol ). Esto requiere el uso de cultivos alimentarios y forrajeros, como la caña de azúcar , el maíz , el trigo y la remolacha azucarera . La preocupación radica en que, si estos cultivos se utilizan para la producción de biocombustibles, los precios de los alimentos podrían aumentar y podrían producirse escaseces en algunos países. El maíz, el trigo y la remolacha azucarera también pueden requerir altos insumos agrícolas en forma de fertilizantes , lo que limita la reducción de gases de efecto invernadero que se puede lograr. El biodiésel producido por transesterificación a partir de aceite de colza , aceite de palma u otros aceites vegetales también se considera un biocombustible de primera generación.

El objetivo de los procesos de biocombustibles de segunda generación es aumentar la cantidad de biocombustible que se puede producir de forma sostenible utilizando biomasa compuesta por las partes residuales no alimentarias de los cultivos actuales, como tallos , hojas y cáscaras que quedan después de la extracción del cultivo alimenticio, así como otros cultivos que no se utilizan con fines alimentarios ( cultivos no alimentarios ), como el pasto varilla , el pasto , la jatrofa , el maíz de cultivo entero , el miscanthus y los cereales que producen poco grano, y también los residuos industriales como astillas de madera , cáscaras y pulpa de la prensa de frutas, etc. [ 6 ] Sin embargo, su producción puede constituir un obstáculo porque se considera poco rentable y la tecnología moderna es insuficiente para su creación continua. [ 7 ]

El problema que abordan los procesos de biocombustibles de segunda generación es la extracción de materias primas útiles de esta biomasa leñosa o fibrosa, compuesta predominantemente por paredes celulares vegetales . En todas las plantas vasculares, los azúcares útiles de la pared celular se encuentran unidos a los carbohidratos complejos ( polímeros de moléculas de azúcar) hemicelulosa y celulosa, pero el polímero fenólico lignina los hace inaccesibles para su uso directo . El etanol lignocelulósico se produce extrayendo moléculas de azúcar de los carbohidratos mediante enzimas , calentamiento con vapor u otros pretratamientos. Estos azúcares pueden fermentarse para producir etanol de la misma manera que en la producción de bioetanol de primera generación . El subproducto de este proceso es la lignina. La lignina puede quemarse como combustible neutro en carbono para generar calor y electricidad para la planta de procesamiento y, posiblemente, para los hogares y negocios circundantes. Los procesos termoquímicos (licuefacción) en medios hidrotérmicos pueden producir productos oleosos líquidos a partir de una amplia gama de materias primas [ 8 ] que tienen el potencial de reemplazar o complementar los combustibles. Sin embargo, estos productos líquidos no cumplen con los estándares del diésel o el biodiésel. El mejoramiento de los productos de licuefacción mediante uno o varios procesos físicos o químicos puede mejorar sus propiedades para su uso como combustible. [ 9 ]

Tecnología de segunda generación

Las siguientes subsecciones describen las principales rutas de segunda generación que se encuentran actualmente en desarrollo.

Rutas termoquímicas

Los materiales a base de carbono pueden calentarse a altas temperaturas en ausencia (pirólisis) o en presencia de oxígeno, aire y/o vapor (gasificación).

Estos procesos termoquímicos producen una mezcla de gases que incluye hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y otros hidrocarburos, además de agua. La pirólisis también produce un residuo sólido. El gas puede fermentarse o sintetizarse químicamente para obtener diversos combustibles, como etanol, diésel sintético, gasolina sintética o combustible para aviones. [ 10 ]

También existen procesos a temperaturas más bajas, en el rango de 150 a 374  °C, que producen azúcares mediante la descomposición de la biomasa en agua con o sin aditivos.

Gasificación

Las tecnologías de gasificación están bien establecidas para materias primas convencionales como el carbón y el petróleo crudo. Las tecnologías de gasificación de segunda generación incluyen la gasificación de residuos forestales y agrícolas, madera de desecho, cultivos energéticos y licor negro . [ 11 ] El producto normalmente es gas de síntesis para su posterior síntesis en, por ejemplo, productos Fischer-Tropsch que incluyen combustible diésel, biometanol , BioDME ( éter dimetílico ), gasolina mediante conversión catalítica de éter dimetílico o biometano ( gas natural sintético ). [ 12 ] El gas de síntesis también puede utilizarse en la producción de calor y para la generación de energía mecánica y eléctrica mediante motores de gas o turbinas de gas .

Pirólisis

La pirólisis es una técnica consolidada para la descomposición de materia orgánica a altas temperaturas en ausencia de oxígeno . En aplicaciones de biocombustibles de segunda generación, los residuos forestales y agrícolas, los desechos de madera y los cultivos energéticos pueden utilizarse como materia prima para producir, por ejemplo, bioaceite para aplicaciones de fueloil. El bioaceite generalmente requiere un tratamiento adicional significativo para que sea apto como materia prima de refinería y pueda sustituir al petróleo crudo.

Torrefacción

La torrefacción es una forma de pirólisis que se lleva a cabo a temperaturas que suelen oscilar entre 200 y 320  °C. Las materias primas y el producto final son los mismos que para la pirólisis .

Licuefacción hidrotermal

La licuefacción hidrotermal es un proceso similar a la pirólisis que permite procesar materiales húmedos. Este proceso se lleva a cabo generalmente a temperaturas moderadas de hasta 400  °C y a presiones superiores a la atmosférica. Su capacidad para procesar una amplia gama de materiales hace que la licuefacción hidrotermal sea viable para la producción de combustibles y materias primas para la industria química.

Rutas bioquímicas

Los procesos químicos y biológicos que se utilizan actualmente en otras aplicaciones se están adaptando para los biocombustibles de segunda generación. Los procesos bioquímicos suelen emplear un pretratamiento para acelerar la hidrólisis, que separa la lignina, la hemicelulosa y la celulosa. Una vez separados estos componentes, las fracciones de celulosa se pueden fermentar para obtener alcoholes. [ 10 ]

Las materias primas son cultivos energéticos, residuos agrícolas y forestales, biorresiduos de la industria alimentaria y municipales, y otra biomasa que contiene azúcares . Los productos incluyen alcoholes (como etanol y butanol ) y otros hidrocarburos para uso en el transporte.

Tipos de biocombustible

Los siguientes biocombustibles de segunda generación se encuentran en desarrollo, aunque la mayoría, si no todos, se sintetizan a partir de productos intermedios como el gas de síntesis, utilizando métodos idénticos en los procesos que involucran materias primas convencionales, biocombustibles de primera y segunda generación. La característica distintiva radica en la tecnología empleada para producir el producto intermedio, más que en su destino final.

Un proceso que produce combustibles líquidos a partir de gas (normalmente gas de síntesis) se denomina proceso de gas a líquido (GtL). [ 13 ] Cuando la biomasa es la fuente de producción de gas, el proceso también se denomina de biomasa a líquidos (BTL).

A partir de gas de síntesis mediante catálisis

  • El biometanol se puede utilizar en motores de metanol o mezclado con gasolina hasta en un 10-20% sin necesidad de realizar cambios en la infraestructura. [ 14 ]
  • El BioDME se puede producir a partir de biometanol mediante deshidratación catalítica o directamente a partir de gas de síntesis mediante síntesis directa de DME. El DME se puede utilizar en motores de encendido por compresión .
  • La gasolina de origen biológico se puede producir a partir de DME mediante una reacción de condensación catalítica a alta presión . La gasolina de origen biológico es químicamente indistinguible de la gasolina derivada del petróleo y, por lo tanto, se puede mezclar con la gasolina convencional. [ 15 ]
  • El biohidrógeno puede utilizarse en pilas de combustible para producir electricidad.
  • Alcoholes mixtos (es decir, mezcla de principalmente etanol , propanol y butanol , con algo de pentanol , hexanol , heptanol y octanol ). Los alcoholes mixtos se producen a partir de gas de síntesis con varias clases de catalizadores. Algunos han empleado catalizadores similares a los utilizados para el metanol. [ 16 ] Los catalizadores de sulfuro de molibdeno fueron descubiertos en Dow Chemical [ 17 ] y han recibido considerable atención. [ 18 ] Se demostró que la adición de sulfuro de cobalto a la formulación del catalizador mejora el rendimiento. [ 17 ] Los catalizadores de sulfuro de molibdeno han sido bien estudiados [ 19 ] pero aún no han encontrado un uso generalizado. Estos catalizadores han sido un foco de esfuerzos en el Programa de Biomasa del Departamento de Energía de los EE. UU. en la Plataforma Termoquímica. [ 20 ] También se ha demostrado que los catalizadores de metales nobles producen alcoholes mixtos. [ 21 ] La mayor parte de la I+D en esta área se concentra en producir principalmente etanol. Sin embargo, algunos combustibles se comercializan como alcoholes mixtos (véase Ecalene [ 22 ] y E4 Envirolene) [ 23 ]. Los alcoholes mixtos son superiores al metanol o etanol puros, ya que los alcoholes superiores tienen un mayor contenido energético. Además, al mezclarse, los alcoholes superiores aumentan la compatibilidad entre la gasolina y el etanol, lo que incrementa la tolerancia al agua y reduce las emisiones por evaporación. Asimismo, los alcoholes superiores tienen un menor calor de vaporización que el etanol, lo cual es importante para los arranques en frío. (Para otro método de producción de alcoholes mixtos a partir de biomasa, véase bioconversión de biomasa en combustibles de alcohol mixto ).
  • Biometano (o Bio-SNG ) mediante la reacción de Sabatier.

A partir de gas de síntesis utilizando Fischer-Tropsch

El proceso Fischer-Tropsch (FT) es un proceso de gas a líquido (GtL). [ 13 ] Cuando la biomasa es la fuente de producción de gas, el proceso también se denomina biomasa a líquidos (BTL). [ 24 ] [ 25 ] Una desventaja de este proceso es la alta inversión energética para la síntesis FT y, en consecuencia, el proceso aún no es económicamente viable.

Biocatálisis

Otros procesos

  • El diésel HTU (Hydro Thermal Upgrading) se produce a partir de biomasa húmeda. Se puede mezclar con diésel fósil en cualquier porcentaje sin necesidad de infraestructura. [ 27 ]
  • Diésel de madera . La Universidad de Georgia desarrolló un nuevo biocombustible a partir de astillas de madera . El aceite se extrae y luego se añade a motores diésel sin modificar. Se utilizan plantas nuevas o se plantan para reemplazar las antiguas. El subproducto de carbón vegetal se reincorpora al suelo como fertilizante. Según el director Tom Adams, dado que el carbono se reincorpora al suelo, este biocombustible puede ser incluso negativo en carbono, no solo neutro. El carbono negativo disminuye el dióxido de carbono en el aire, revirtiendo el efecto invernadero en lugar de solo reducirlo. [ 28 ]

Materias primas de segunda generación

Para calificar como materia prima de segunda generación, una fuente no debe ser apta para el consumo humano. Las materias primas para biocombustibles de segunda generación incluyen cultivos energéticos no comestibles cultivados específicamente, aceites no comestibles cultivados, residuos agrícolas y municipales, aceites residuales y algas. [ 29 ] Sin embargo, los cereales y los cultivos azucareros también se utilizan como materias primas para tecnologías de procesamiento de segunda generación. El uso de la tierra, las industrias de biomasa existentes y las tecnologías de conversión pertinentes deben considerarse al evaluar la idoneidad del desarrollo de la biomasa como materia prima para la producción de energía. [ 30 ]

Cultivos energéticos

Las plantas están compuestas de lignina , hemicelulosa y celulosa ; la tecnología de segunda generación utiliza uno, dos o todos estos componentes. Los cultivos energéticos lignocelulósicos comunes incluyen paja de trigo , Arundo donax , Miscanthus spp., álamo de rebrote de rotación corta y sauce . Sin embargo, cada uno ofrece diferentes oportunidades y ningún cultivo puede considerarse "mejor" o "peor". [ 31 ]

Al elegir qué cultivos energéticos plantar, es importante considerar su impacto ambiental general. Por ejemplo, ciertas gramíneas para biocombustibles son invasoras en Norteamérica, por lo que deben evitarse. [ 32 ] Se prefieren las plantas nativas o no invasoras comprobadas, especialmente porque tienden a proporcionar más servicios ecosistémicos. [ 33 ] Otras consideraciones deben incluir un análisis del ciclo de vida para comparar la huella de carbono total de varias opciones de cultivo. Los análisis del ciclo de vida también pueden incluir los impactos en el suelo y el agua del área circundante. [ 34 ]

Residuos sólidos municipales

Los residuos sólidos urbanos comprenden una gran variedad de materiales, y la cantidad total de residuos generados va en aumento. En el Reino Unido, las iniciativas de reciclaje reducen la proporción de residuos que se destinan directamente a la eliminación, y el nivel de reciclaje aumenta cada año. Sin embargo, aún existen importantes oportunidades para convertir estos residuos en combustible mediante gasificación o pirólisis. [ 35 ]

Los residuos alimentarios domésticos y comerciales pueden transformarse en bioetanol [ 36 ] [ 37 ] y biometano. [ 38 ] El bioetanol puede utilizarse como combustible para vehículos, [ 39 ] mientras que el biometano puede utilizarse en lugar del gas natural, un combustible fósil. [ 40 ]

Residuos verdes

Los residuos vegetales, como los restos forestales o los desechos de jardines o parques [ 41 ], pueden utilizarse para producir biocombustibles mediante diferentes métodos. Algunos ejemplos son el biogás obtenido de residuos vegetales biodegradables y la gasificación o hidrólisis para producir gas de síntesis , que posteriormente se procesa para obtener biocombustibles mediante procesos catalíticos .

licor negro

El licor negro, el licor de cocción usado del proceso kraft que contiene lignina y hemicelulosa concentradas , puede gasificarse con una eficiencia de conversión muy alta y un potencial de reducción de gases de efecto invernadero [ 42 ] para producir gas de síntesis para su posterior síntesis , por ejemplo, de biometanol o BioDME .

El rendimiento de aceite de tall crudo del proceso está en el rango de 30 a 50  kg/tonelada de pulpa. [ 43 ]

emisiones de gases de efecto invernadero

Los biocombustibles lignocelulósicos reducen las emisiones de gases de efecto invernadero entre un 60 % y un 90 % en comparación con el petróleo fósil (Börjesson, P. et al., 2013. Dagens och framtidens hållbara biodrivmedel), lo que está a la par con los mejores biocombustibles actuales de primera generación, donde los mejores valores típicos actualmente son del 60 % al 80 %. En 2010, el ahorro promedio de biocombustibles utilizados en la UE fue del 60 % (Hamelinck, C. et al., 2013. Renewable energy progress and biofuels sustainability, Report for the European Commission). En 2013, el 70 % de los biocombustibles utilizados en Suecia redujeron las emisiones en un 66 % o más (Energimyndigheten, 2014. Hållbara biodrivmedel och flytande biobränslen, 2013).

Desarrollo comercial

En Canadá, opera una planta de producción de etanol lignocelulósico a cargo de Iogen Corporation . [ 44 ] Esta planta, a escala de demostración, produce alrededor de 700 000 litros de bioetanol al año. Una planta comercial se encuentra en construcción. Se han propuesto numerosas plantas de etanol lignocelulósico adicionales en Norteamérica y en todo el mundo.

La fábrica sueca de celulosa especializada Domsjö Fabriker en Örnsköldsvik , Suecia , desarrolla una biorrefinería utilizando la tecnología de gasificación de licor negro de Chemrec . [ 45 ] Cuando se ponga en marcha en 2015, la biorrefinería producirá 140 000 toneladas de biometanol o 100 000 toneladas de BioDME al año, sustituyendo el 2 % de las importaciones suecas de gasóleo para el transporte. En mayo de 2012 se reveló que Domsjö se retiró del proyecto, lo que supuso su paralización.

En el Reino Unido, empresas como Ineos Bio y British Airways están desarrollando refinerías de biocombustibles avanzados, cuya construcción está prevista para 2013 y 2014, respectivamente. En condiciones económicas favorables y con un fuerte apoyo político, las proyecciones de la NNFCC sugieren que los biocombustibles avanzados podrían cubrir hasta el 4,3 % del combustible para el transporte en el Reino Unido para 2020 y ahorrar 3,2 millones de toneladas de CO₂ al año, lo que equivale a retirar casi un millón de coches de la circulación. [ 31 ]

Helsinki, Finlandia, 1 de febrero de 2012 – UPM invertirá en una biorrefinería que producirá biocombustibles a partir de aceite de tall crudo en Lappeenranta, Finlandia. Esta inversión a escala industrial es la primera de su tipo a nivel mundial. La biorrefinería producirá anualmente aproximadamente 100.000 toneladas de biodiésel avanzado de segunda generación para el transporte. La construcción de la biorrefinería comenzará en el verano de 2012 en la planta de UPM en Kaukas y finalizará en 2014. La inversión total de UPM ascenderá a aproximadamente 150 millones de euros. [ 46 ]

Calgary, Alberta, 30 de abril de 2012 – Iogen Energy Corporation ha acordado un nuevo plan con sus copropietarios, Royal Dutch Shell e Iogen Corporation, para reorientar su estrategia y actividades. Shell continúa explorando diversas vías para encontrar una solución comercial para la producción de biocombustibles avanzados a escala industrial, pero la compañía NO seguirá adelante con el proyecto que tenía en desarrollo para construir una planta de etanol celulósico a gran escala en el sur de Manitoba. [ 47 ]

En India, las compañías petroleras indias acordaron construir siete refinerías de segunda generación en todo el país. Las compañías que participarán en la construcción de plantas de biocombustibles 2G son Indian Oil Corporation (IOCL), HPCL y BPCL. [ 48 ] En mayo de 2018, el Gobierno de India presentó una política de biocombustibles en la que se asignó una suma de 5000 millones de rupias para establecer biorrefinerías 2G. Las compañías petroleras indias estaban en proceso de construir 12 refinerías con un gasto de capital de 10 000 millones de rupias. [ 49 ]

Véase también

Referencias

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  • El Centro Nacional de Cultivos No Alimentarios
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