Producción de combustibles líquidos de la biomasa

1. Producción de combustibles líquidos de la biomasa Dr. Roberto Best y Brown CREVER-Universidad Rovira i Virgili CIE-UNAM Abril 2005

2. Producción de combustibles líquidos de la biomasa Uno de las objetivos principales de la bioenergía es la búsqueda de combustibles líquidos como sustitutos de productos derivados del petróleo Hay tres tecnologías que se utilizan actualmente para esta produccion: • Pirólisis (Termoquímica) • Síntesis y • Fermentación

3. Pirólisis para la produccin de bio-aceites • La pirólisis es el método mas antiguo de procesar un combustible para producir un combustible de mejor calidad • La pirólisis lenta reduce la madera en carbón • El término pirólisis se aplica ahora al proceso de colectar los componentes volátiles y condensarlos para producir un combustible líquido o bio-aceite. • Con ausencia de aire se calienta sin quemar y minimizar la gasificación y producir un bioaceite

4. Pirólisis para la producción de bio-aceites • El bioaceite producido tiene un contenido energético del orden de la mitad del petróleo y contiene contaminantes ácidos que deben removerse. • Unas variación del proceso básico es la Solvolisis, el uso de solventes organicos a 200-300ºC para dislover los sólidos y obtener un producto parecido al petróleo • Otra es la llamada Pirolisis rápida que se lleva a cabo de 500 -1300ºC y altas presiones (50 a 150 atm.) • Recientemente se esta investigando la pirólisis de RSU, pero es aún muy costosa (con respecto a la incineración)

5. Síntesis de combustibles Un gasificador que utiliza oxigeno en vez de aire puede producir un gas consistente principalmente de H2, CO y CO2 y el interés de esto radica en el hecho en que la remoción del CO2 permite a la mezcla llamar gas de síntesis del cual casi cualquier hidrocarburo puede ser sintetizado. La reacción el H2 y el CO es una manera de producir metano puro 2CO + 2H2 CH4 +CO2 Otro producto posible es el metanol. La producción de metanol de esta forma involucra una serie de procesos químicos sofisticados a altas temperaturas y presiones y es importante por que es un sustituto directo de la gasolina.

6. Síntesis de combustibles líquidos(por Gasificación) • Un proceso de gasificación usando oxígeno en lugar de aire produce un gas consistente en gran parte por H2, CO y CO2. • La remoción de CO2 e impurezas como tar, metano y trazas de azufre, deja una mezcla muy activa de H2 y CO llamada Gas de Síntesis con la cual se puede sintetizar cualquier hidrocarburo

7. Síntesis de combustibles líquidos(por Gasificación) • El primer paso es ajustar las proporciones de los componentes (shift reaction): • Ejemplo: para formar metanol CH3OH, :2 moleculas de H2 por cada una de CO (2:1). • Un proceso conocido desde 1929 como Fischer-Tropsch consiste en hacer pasar los dos componentes sobre un catalizador a temperatura y presión alta y el producto una mezcla de hidrocarburos producido inicialmete un gas, se condensa.

8. Gasificación con desechos de cultivos temporales El bagazo tiene un significante potencial como biomasa para combustible. La mayoría de los ingenios utilizan el bagazo como fuente para elevar la temperatura del vapor, este bagazo es quemado ineficientemente. Muchos ingenios producen también electricidad para satisfacer sus propias necesidades. La cáscara de arroz es el residuo agrícola más común de el mundo. La textura uniforme de la cáscara se presta para tecnologías tales como la gasificación. Gasificadores de cáscara de arroz han sido exitosamente operados en Indonesia, China y Mali. La industria procesadora del coco, en muchos países proporcionan grandes cantidades de desechos finos y ásperos. La fibra del coco se utiliza par gasificación en Tailandia con éxito limitado debido a la baja densidad del sustrato. Los desechos finos del coco son más prometedores como biocombustibles.

9. Fermentación para producción de etanol • A partir del año 2000 se ha incrementado la producción de etanol • Principalmente en Brasil y EEUU, aunque también en Europa (Abengoa en Castillo y León)

10. PROCESO MEDIANTE EL CUAL LOS AZUCARES SON CONVERTIDOS EN ALCOHOLES MEDIANTE REACCIONES BIOLOGICAS ANAEROBIAS 5.- FERMENTACION • Uso directo • o diluente de gasolina AZUCARES ETANOL Hidrólisis Fermentación Destilación RENDIMIENTOS EN ETANOL MATERIA PRIMA LITROS/ton Litros/ha*año Caña de Azúcar 70 400 – 12000 Maíz 360 250 – 2000 Yuca (raíz) 180 500 – 4000 Papa (dulce) 120 1000 – 4500 Madera 160 160 - 4000 BIOMASA FORMAS DE EXTRACCION DE LA ENERGIA A PARTIR DE BIOMASA (cont.)

11. Fermentación La fermentación es un proceso anaeróbico biológico en el cual el azúcar es convertida en alcohol por la acción de un micro-organismo. El alcohol resultante es etanol (C2H5OH) en mayor proporción que el metanol (CH3OH) que pueden ser utilizados en máquinas de combustión interna y directamente en máquinas modificadas apropiadamente o como “extendedoras”de gasolina en el gasohol: gasolina con el 20 % de etanol. La mejor fuente conocida de etanol es la caña azúcar – o la melaza obtenida después de que se ha extraído el jugo de la caña. El producto resultante de la fermentación contiene únicamente cerca del 10 % de etanol, que debe ser destilado antes de ser utilizado como combustible. El contenido energético del producto final es cercano a 30 GJ t-1 o 24 GJ m-3. El proceso completo requiere una considerable cantidad de calor, el cual es suministrado por desperdicios de cultivos. La pérdida energética en la fermentación es substancial , pero esto puede ser compensado por la conveniente transportabilidad del combustible líquido y por el competitivo bajo costo y la familiaridad de la tecnología.

12. PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO POR FERMENTACIÓN • Proceso anaeróbico-biológico. • Los azucares (C6H12O6), se convierten en alcohol por la acción de microorganismos generalmente, una levadura. • El producto etanol (C2H5OH) se separa de otros componentes por destilación. • En proporciones de 25% se puede mezclar con petróleo, Gasohol, o se puede modificar la carburación del motor para utilizarlo directamente.

13. PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO POR FERMENTACIÓN • La biomasa mas utilizada es la caña de azucar, Brasil es el mayor productor de Gasohol. • Plantas ricas en almidón como principal carbohidrato ( patata, maiz, trigo), requiere como proceso inicial: la conversión de almidón en azúcar, proceso que siguen en USA y Europa. • La madera puede utilizarse pero es más costoso actualmente(hidrólisis)

14. Bioetanol de biomasa no comestible Biocarburante etanol a partir de recursos de biomasa no comestibles Requiere de “nuevas tecnologías para: • Hidrolizar (romper) la celulosa y la hemicelulosa en azúcar • Fermentar las “azucares inusuales” de la biomasa

15. PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO POR FERMENTACIÓN • El producto es 10% etanol que debe destilarse. El proceso requiere una gran cantidad de energía térmica, que se obtiene de la quema de los residuos, (por ej:bagazo). • El contenido energético del etanol es de 30 GJ/ton o de 24 MJ/ litro (34 MJ/litro petróleo)

16. PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO POR FERMENTACIÓN

17. El bioetanol como combustible El etanol como combustible en vehículos se utiliza al menos en cuatro formas: • Etanol anhidro (100 % etanol) • Etanol “hidro” (95% etanol 5% agua) • Mezclas etanol anhidro-gasolinas (10-20% etanol) • Como materia prima para etil tera-butil eter (ETBE), aditivo oxigenado como sustituto del MTBE obtenido a partir del metanol

18. El bioetanol como combustible • En E.E.U.U. y CANADA se vende una mezcla de 10% de alcohol anhidro con gasolina llamado “gasohol” • En Brasil el 90% de los autos tienen motores especialmente diseñados para operar con hidro-etanol (al 95%).

19. Bioetanol de residuos agroindustriales

20. Energía fósil para conducir una milla

21. Aceites vegetales a biodiesel • La mayor parte de la producción de biodiesel es a través de semillas de plantas, colza, girasol. • En Europa donde el 50% de los coches nuevos son diesel se ha incrementado el interés en su producción a diferencia de USA donde solo 1% de los coches son diesel.

22. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL • En 1911 el Dr. Rudolf Diesel escribió: “la máquina diesel puede ser alimentada con aceites vegetales y puede ayudar considerablenete al desarrollo de la agricultura de los países que lo utilizen” Demostró su funcionamiento con una gran cantidad de aceites entre ellos el de cacahuate, sin embargo el petróleo barato dominó el mercado

23. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL • Los aceites vegetales ocurren naturalmente en las semillas de varias plantas, y se extraen por prensado o utilizando un disolvente. • El contenido energético es del orden de 37-39 GJ /ton, un poco menor al del diesel (42 GJ / ton)

24. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL • Aunque se puede quemar directamente o mezclado con diesel, la combustion incompleta puede causar problemas por carbonización en los cilindros, por lo que conviene su conversión a Biodiesel. • El proceso se conoce como esterificación..

25. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL • La esterificación es el método mas sencillo y consiste en mezclar el aceite con un exceso de metanol (la relación estequiométrica es de tres moles de alcohol por mol de aceite) en presencia de un catalizador de la reacción que suele ser KOH. • Poniendo doble cantidad de alcohol (que es normal) se necesita un tiempo comprendido entre 1 a 8 horas (según la temperatura) para obtener el metiléster, a la vez que una fase acuosa a base de glicerina. • 100 kg de aceite y 11 kg de metanol con catalizador producen en una hora (a 70ºC) una cantidad de 100 kg de diéster (sinónimo de biodiésel, contracción de diesel y y éster) y 11 kg de glicerina. La glicerina tiene un valor comercial bajo por sobreproducción.

26. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL • Aceite + Metanol  Metilester + Glicerina • Considerando 3 ton/ha de semilla de colza con un porcentaje de 40% de aceite se obtiene una producción neta de 1.200 kg/año de combustible, (1.300 litros). • Además de 1.800 kg de torta útil para alimentación animal, así como 3 toneladas de paja. Esto representa en cuanto a cantidad total de combustible entre 1.900 y 2.500 kg de petróleo por hectárea

27. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL • Proceso de trans-esterificación de aceite para producción de biodiesel

28. Planta de metiléster

29. PRODUCCIÓN DE BIODIESEL • Las fuentes importantes para producción de biodiesel son la colza (rape seed), girasol y recientemente el aceite comestible reciclado

30. 16.200 TEP 50.400 TEP 51.200 TEP 64.500 TEP 2.4. Área de biocarburantes 2. SITUACIÓN EN ESPAÑA • DOS PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE BIOETANOL Y TRES DE BIODIESEL • EL BIOETANOL SE USA SOBRE TODO PARA PRODUCIR ETBE, MIENTRAS QUE EL BIODIESEL SE EMPLEA EN FLOTAS CAUTIVAS Y ES VENDIDO EN ALGUNAS ESTACIONES DE SERVICIO PRODUCCIÓN DE BIOCARBURANTES A FINALES DE 2003 TOTAL: 182.300 TEP

31. 2.4. Área de biocarburantes 2. SITUACIÓN EN ESPAÑA OBJETIVO ENERGÉTICO POR COMUNIDADES AUTONOMAS • Potencial técnico-económico: 640.000 tep • Bioetanol: 600.000 tep • Biodiesel: 40.000 tep • Objetivo del Plan de Fomento (año 2010): 500.000 tep • Bioetanol: 400.000 tep • Biodiesel: 100.000 tep

32. 2.4. Área de biocarburantes 2. SITUACIÓN EN ESPAÑA

33. 2.4. Área de biocarburantes 2. SITUACIÓN EN ESPAÑA Plantas productoras de biocarburantes: evolución 1999-2003 EN EXPLOTACIÓN EN EJECUCIÓN

34. Comentarios Finales • La biomasa es el energético renovable más utilizado a nivel mundial • Fácil de obtener localmente y capaz de generar electricidad, calor y potencia a partir de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos que pueden sustituir los combustibles fósiles importados • Es una fuente de energía neutral respecto a las emisiones de CO2 pueden ayudar a mitigar el cambio climático

35. INTERNATIONAL SEMINAR ON BIOENERGY AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT FAO/UNAM/ANES/LAMNET Morelia, 2003 Bioenergy in Brazil Luiz Augusto Horta Nogueira Universidade Federal de Itajubá Minas Gerais - Brazil

36. Bioenergy in BrazilContents • Brazil: background • Brazil: energy and bioenergy data • Traditional and innovative uses of bioenergy • Modern bioenergy systems in Brazil • Biofuels • Electricity from biomass • Iron production based on charcoal • Institutional aspects • Final comments

37. Brazil: background • Surface: 8.54 million km2 ( 73% potentially arable) • Climate: mainly tropical wet • Population: 170 million inhabitants (~20% rural) • Life expectancy: 68.8 years • Illiteracy: 9.5% • Unemployment: 7% • GDP: US$504 billion 8% agriculture 35% industry 57% services • Income distribution 1% goes to 50% poorest 13% goes to 1% richest

38. million tep 160 Other renewable 140 Sugar cane products 120 Fuelwood 100 Hydraulic 80 60 Other non-renewable 40 Natural gas 20 Petroleum 0 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 100% Other renewable Sugar cane products 80% Fuelwood 60% Hydraulic 40% Other non-renewable Natural gas 20% Petroleum 0% 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 Brazil: energy balance syntesis Source: BEN/MME, 2002

39. 1000 tep 50000 Ethanol 40000 Charcoal 30000 Industrial by-products 20000 Bagasse 10000 Fuelwood 0 1985 1989 1993 1997 2001 Brazil: bioenergy demand Biofuels are becoming “modern” and diversified Source: BEN/MME, 2002

40. 1000 tep 40000 Industry Transport 30000 Agriculture 20000 Services Residential 10000 0 1985 1989 1993 1997 2001 1000 tep Food and beverage 25000 Pulp and paper 20000 Ferrous metals industry 15000 Ceramics Other 10000 5000 0 1985 1989 1993 1997 2001 Brazil: bioenergy demand Sectorial demand Industrial demand Source: BEN/MME, 2002

41. tep/1000 US$ 0,10 fuelwood and charcoal/GNP ethanol and bagasse/GNP 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002 Brazil: bioenergy demand Evolution of demand with GNP Evolution of demand with population Source: BEN/MME, 2002

42. Brazil: energy balance trends • From the past decades to the current situation, one observes that: • biofuels represents about 1/3 of total energy demand in Brazil • due to urbanization, fuelwood as fuel for cooking in households is losing importance • modern bioenergy is increasing its role in industry and transportation, mainly from sugarcane • even with the partial recovery of conventional fossil fuels in the Brazilian energy matrix, biofuels will keep a significant share

43. Traditional and Innovative uses of Bioenergy Although modern bioenergy tends to displace the traditional one, this trend should be supported by proper social, environmental and technical guidelines...

44. The two worlds of bioenergy... Woodfuels demand vs. GNP per capita Source: WEIS/FAO, 1998

45. Modern bioenergy systemsin Brazil • Biofuels for automotive engines (ethanol, ethanol blends and biodiesel) • Power generation using fuelwood, bagasse and other residues (IPP and cogeneration) • Iron and steel production using charcoal from forestry

46. Alcohol from sugar cane • Basic data • 4,5 million ha planted for cane (0.8% of agricultural land) • 55% of cane is crushed for ethanol in more than 300 mills • the recent harvest of 300 million ton is producing about 13 billion liters of ethanol, 60% in São Paulo State • about 610 thousand people work directly in ethanol and sugar production

47. Alcohol from sugar cane • Technical parameters • Average productivity (in São Paulo) agriculture : 70 ton/ha industry : 85 liters/ton • Bagasse production (with 50% moisture, per ton of cane) total : 250 kg/ton cane surplus : • A typical mill annually processes 1 million ton of cane and costs about US$25 million up to 30% plus 140 kg as tops and leaves (“barbojo”)

48. 4.3% 1.4% Alcohol from sugar cane • Evolution • Proalcool: National Alcohol Program, launched in 1975 • Started with limited fleet  converted motors and blends with gasoline  ethanol new cars (since 1979) • After some years of low performance, the interest in ethanol returns Source: ANFAVEA, 2002

49. Alcohol from sugar cane • Brazilian automotive fuels • Nowadays in Brazil, in the gas stations there are only two different fuels for Otto motors: • Gasohol (sold as regular (IAD 87) and super (IAD 91)) • Hydrous ethanol (94.5 %) • The anydrous ethanol content in gasohol varies according to availability Ethanol content in gasohol Source: BEN/MME, 2002

50. Alcohol from sugar cane • Energy balance in ethanol production This agroindustry is very efficient, mainly due to the high photosynthetic efficiency of sugar cane, by-products availability and residues recycle Source: Macedo, 2002