“Los consumidores de mañana quizás ni siquiera sabrán el origen de lo que moverá sus vehículos, los biocombustibles del futuro muy probablemente serán similares en composición física a la gasolina y el diesel que se usan hoy”. El reto para los ingenieros químicos es producir con eficiencia combustibles líquidos a partir de la biomasa adecuándose a la infraestructura existente hoy (George W. Huber et. Al, Chemistry & Sustainability, Energy & Materials.)
Los biocombustibles actuales (bioetanol, biodiesel) son obtenidos en complejos procesos que requieren un consumo energético elevado además de que compiten en cuanto a materia prima a utilizar con la industria alimentaria. Sus propiedades físicas, diferentes de los combustibles convencionales, hacen necesario que sólo se puedan utilizar mezclados con combustibles convencionales (la normativa europea sobre la volatilidad de las gasolinas, hace que la máxima concentración de bioetanol autorizada sea de un 6%) o en países como EEUU y Suecia en los que no se aplica tal normativa y se permiten mayores porcentajes sea necesario la utilización de motores adaptados que encarecen el precio el vehículo. Además desde el punto de vista medioambiental aunque logran reducir las emisiones de dióxido de carbono, aumentan la emisión de otras sustancias contaminantes y perjudiciales para el medio ambiente.
Como alternativa al bioalcohol y al biodiesel, están surgiendo procesos que transforman residuos de biomasa (celulosa, virutas de madera, residuos agrícolas) en hidrocarburos semejantes a los que se obtienen en las refinerías convencionales, utilizándose para su obtención procesos similares, de tal forma que las actuales refinerías se convertirán en biorefinerías que podrán utilizar simultánea o alternativamente biomasa y petróleo para la fabricación tanto de combustibles como de sus productos derivados tales como plásticos, pinturas y demás productos de manera similar a como se obtienen en la actualidad en los complejos químicos que surgen alrededor de las refinerías. Todo ello con un consumo de energía mínimo, a costes competitivos y con un impacto en el ambiente prácticamente nulo.
[Mª Jesús Marcos Crespo]
La biogasolina como la conocemos comúnmente es una mezcla de gasolina convencional con un porcentaje variable de bioalcoholes (metanol, etanol y/o butanol), clasificándose en función del porcentaje de bioalcohol en E5, E10, E85. Debido a las diferentes propiedades de la gasolina y el bioalcohol (poder calorífico, índice de octano, etc.), los automóviles convencionales admiten porcentajes máximos del 10%, para mezclas mayores sólo se pueden utilizar en vehículos con motores adaptados y conocidos como FFV (Flexible Fuel Vehícle). En España en 2010 el 5.83% de las gasolinas que se consuman deberán ser bioalcohol.
El proceso más utilizado para la obtención de los bioalcoholes es la fermentación con la utilización de enzimas de productos ricos en azúcares, glúcidos y almidones como maíz, cebada, caña de azúcar, etc., así como materiales lignocelúlosicos (paja, residuos de poda, etc.). El proceso contempla además una serie de destilaciones (el alcohol y el agua son miscibles y forman eutécticos) que suponen un gran consumo de energía.
A las ya conocidas desventajas de la utilización de biomasa para la obtención de combustibles (competición con el sistema alimentario y un más que discutible balance energético del proceso) se han añadido recientemente estudios que indican que la utilización de biogasolinas además de reducir muy poco las emisiones de dióxido de carbono (menos de un 4%), incrementan la emisión de contaminantes altamente tóxicos y cancerígenos (entre los que se encuentran el acetaldehído, acroleína y el formaldehído), además y debido a su mayor volatilidad se incrementa entre un 20 y un 80% la emisión de productivos volátiles que favorecen el smog fotoquímico [ óxidos de nitrógeno , Componentes Orgánicos Volátiles (VOC por sus siglas en Inglés, Volatile Organic Compounds), ozono troposférico, y nitrato peroxiacitílico , PAN según sus siglas en Inglés, peroxyacytyl nitrate] (referencia1).
Como alternativa a los bioalcoholes, laboratorios y grupos de investigación de todo el mundo están trabajando en procesos que conviertan la biomasa en hidrocarburos semejantes a los de la gasolina y que se puedan utilizar no sólo como combustibles sino que también sustituyan al petróleo en la fabricación de plásticos, pinturas, etc… es lo que se denominan biorefinerías.
Existen tres métodos para convertir la biomasa en biocombustibles: Fermentación o generación catalítica en fase líquida, pirólisis y gasificación, e innumerables formas de llevar a cabo estos procesos, ya hemos hablado en este blog sobre el cultivo de algas que además de consumir CO2 generan un producto similar al petróleo. La compañía Shell trabaja junto a la Universidad de Wisconsin en un provecto denominado “BioForming” que utiliza catalizadores sólidos para convertir los azúcares de planta en hidrocarburos tales como hexano o heptano con un consumo energético un 40% inferior al proceso de producción de bio alcohol.
La pirolisis y la gasificación tienen la ventaja de que son capaces de romper la lignina (material muy resistente a la ruptura química o biológica a bajas temperaturas) y que obliga a que en la fabricación del bioetanol sea necesario utilizar materiales que compiten con el mercado alimenticio (maíz, caña de azúcar, etc). El aprovechamiento de materiales lignocelulósicos (residuos de poda, hierba, árboles de crecimiento rápido tipo álamo, etc.) que no compiten con el mercado de la alimentación ya que se trata de residuos o cultivos específicos para su utilización en el proceso y sin ninguna otra aplicación.
En esta línea, el ingeniero químico George Huber de la Universidad de Massachusetts-Amherst (UMass) ha publicado un artículo en la revista “Chemistry & Sustainability, Energy & Materials en el que anuncia el primer proceso que de una única etapa convierte materiales celulósicos directamente en gasolina.
Huber asegura que el futuro de los biocombustibles pasa porque el consumidor no diferencie los combustibles procedentes de los combustibles fósiles de los renovables y el reto de los ingenieros químicos es fabricarlos con el menor consumo de energía posible, a costes competitivos y además utilizando procedimientos convencionales, prediciendo que en un futuro las refinerías pasarán a convertirse en biorefinerias sin ningún tipo de modificación, además estos combustibles sintéticos idénticos a los convencionales tendrán innumerables ventajas frente al bioetanol: En primer lugar el proceso (basado en este caso en la pirólisis catalítica) es mucho menos exigente desde el punto de vista energético, más simple evitando los procesos de destilación y purificación del etanol, los automóviles no necesitan ningún tipo de adaptación al nuevo combustible y además evita la desventaja del 30% de pérdida de densidad energética que supone la utilización de bioetanol.
El método utilizado en el proceso se denomina pirólisis rápida, un proceso aparentemente simple y en una sola etapa que consiste en un calentamiento rápido hasta la temperatura de proceso, (400-600ºC) seguido de un enfriamiento muy rápido (tiempo de residencia del vapor de 1-2 seg), precisamente la velocidad de calentamiento es el aspecto crítico a optimizar, si es demasiado lenta se produce carbón en exceso, si es demasiado rápida se generan numerosos volátiles, la investigación se centra por lo tanto en conseguir la velocidad adecuada para que la composición del fluido sea lo más parecida a las gasolinas actuales.
El bajo tiempo de residencia supone que no sean necesarios grandes reactores como es el caso de la fermentación enzimática que requiere horas e incluso días para llevarse a cabo. Durante el proceso se genera un fluido inestable denominado “bio-oil” de color marrón y que contiene un 25% de los componentes de la gasolina convencional y además más de 300 compuestos que le hacen incompatible con los motores de combustión convencionales (gasolina, gasoil, etc.). Para ser utilizado como tal es necesario mejorar su calidad, para ello se utilizan catalizadores químicos heterogéneos soportados en zeolitas que convierten los compuestos oxigenados que se generan durante la pirólisis en aromáticos en el rango de las gasolinas.
Desde el punto de vista energético, asegura Huber, la energía consumida en el proceso es mucho menor que en la generación del bioetanol, siendo aportada en parte por el propio material celulósico y además en el proceso de enfriamiento la energía se transfiere a un fluido termoportador que posteriormente pasa a un ciclo de potencia y genera electricidad que se puede utilizar en el proceso o se vierte a la red.
El nuevo biocombustible es similar a los convencionales, en parte porque el proceso es similar al que se utiliza con el petróleo, incluida la utilización de catalizadores similares, sin embargo hay alguna diferencia y es que en la industria petrolera se suele partir de moléculas simples (etileno) que se va convirtiendo en otras más complicadas, con la biomasa, sin embargo comenzamos con moléculas complicadas (glucosa, celulosa, etc…).
Sin embargo la comercialización de la “Gasolina Verde” no será posible hasta dentro de cinco a diez años ya que aún es necesario simplificar el proceso y mejorar el rendimiento, que en la actualidad está en un 50% de conversión, si se lograse un 100% de conversión Hube estima que el precio del combustibles generado estaría en torno a 0.25$/el litro.