Tema 4 - Energía de La Biomasa

UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLESINTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS RENOVABLES TEMA 4: ENERGÍA DE LA BIOMASA Autores: Dr. Juan Manuel Oliveros Muñóz Dr. Francisco Javier Ríos Fránquez Dr. Sergio Cisneros de la Cueva M.C. Elena del Carmen Villarreal Ornelas 4-1 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES Contenido 4.1. Introducción ............................................................................................ 2 4.1.1. Biomasa ........................................................................................................ 3 4.1.2. Balance Neto Energético (BNE) ................................................................... 5 4.2. Biocombustibles solidos ....................................................................... 9 4.2.1. Biomasa densificada................................................................................... 10 4.2.2. Astillas ........................................................................................................ 10 4.2.3. Briquetas..................................................................................................... 11 4.2.4. Pellets ......................................................................................................... 11 4.2.5. Biocarbón.................................................................................................... 11 4.2.6. Pirólisis ....................................................................................................... 12 4.3. Biocombustibles líquidos .................................................................... 16 4.3.1. Bioetanol ..................................................................................................... 16 4.3.2. Biodiesel ..................................................................................................... 19 4.3.3. Bioturbosina ................................................................................................ 21 4.4. Biocombustibles gaseosos ................................................................. 27 4.4.1. Biogás ......................................................................................................... 27 4.4.2. Biohidrógeno............................................................................................... 29 4.4.3. Historia de los biocombustibles gaseosos .................................................. 29 4.4.4. Uso de los biocombustibles gaseosos en México ...................................... 32 4.4.5. Política y mercados de energía de los biocombustibles gaseosos ............ 33 4.4.6. Biomasa usada para la producción de biocombustibles gaseosos ............ 34 4.5. Bioelectricidad ...................................................................................... 41 4.5.1. Celdas de combustible microbiano. ............................................................ 41 4.5.2. Aplicaciones................................................................................................ 42 4.5.3. Viabilidad económica de una MFC ............................................................. 43 Referencias de Figuras .................................................................................... 45 Referencias bibliográficas ................................................................................ 47 4-1 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES 4.1. Introducción El uso continuo de combustibles derivados del petróleo, en la actualidad es ya ampliamente reconocido como “insostenible”, pues se agotan los suministros, lo que ha ocasionado un gran impacto sobre el medio ambiente (Chisti, 2007). El impacto de esta actividad está relacionado principalmente a la producción de gases de efecto invernadero (IPCC, 2014; López et al., 2015). Las evidencias indican que los gases como el dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), han contribuido al calentamiento global y la contaminación ambiental (Reay, 2007). El Annual Greenhouse Gas Index (AGGI) en 2015 fue de 1.37, lo que significa que el calentamiento global ha aumentado en un 37 % desde 1990. De continuar la acumulación de gases de efecto invernadero el cambio en la temperatura global provocará cambios en la frecuencia, cantidad y distribución de la lluvia, incrementos de evaporación y sequía, derretimiento de nieve, hielo marino y capas de hielo (IPCC, 2016). Aunado a lo anterior se ha estimado que las reservas existentes de petróleo no abastecerán las necesidades energéticas del planeta por más de 30 años, por lo que desde hace varias décadas se ha impulsado el desarrollo de alternativas energéticas como los biocombustibles, para cubrir la demanda global de energía (FAO, 1997). Los biocombustibles se identifican como aquellos obtenidos a partir de biomasa vegetal mediante su procesamiento químico, térmico o biológico. La bioenergía o energía de la biomasa es un tipo de energía renovable que se obtiene a partir de la materia orgánica (principalmente biomasa vegetal), residuos agrícolas, industriales y urbanos, trasformados en biocombustibles o directamente en energía eléctrica o térmica mediante procesos biológicos, físicos y/o químicos. 4-2 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES 4.1.1. Biomasa Se identifica con el nombre de biomasa a un conjunto heterogéneo de materias orgánicas (formadas por vía biológica en un pasado inmediato). También la materia orgánica de las aguas residuales y la porción orgánica biodegradable de los residuos sólidos urbanos cabe dentro del término biomas, aunque dadas las características específicas de estos residuos se suelen considerar como un grupo aparte (Romero-Salvador, 2010). La biomasa originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, tiene carácter de energía renovable porque su contenido energético procede, en última instancia, de la energía solar fijada por las plantas en el proceso fotosintético (Madsen, 2011). Al romper los enlaces químicos de los compuestos orgánicos, por combustión directa de la biomasa o por combustión de productos obtenidos de ella mediante transformaciones físicas, químicas o biológicas, para dar dióxido de carbono y agua como productos finales, se libera energía. La biomasa puede proporcionar energía mediante su transformación en materiales sólidos, líquidos y gaseosos. Los productos procedentes de la biomasa que se utilizan para fines energéticos se denominan, en general, biocombustibles y generalmente se aplican con fines térmicos y eléctricos (Romanelli et al., 2015). En la Figura 4.1 puede observarse un resumen esquemático de los tres principales grupos de procesos para la obtención de biocombustibles a parir de la biomasa, los cuales son: a) Procesos bioquímicos, entre los que se incluye: La hidrólisis y/o fermentación y la digestión anaerobia. En este grupo de procesos es aprovechado el metabolismo microbiano para obtener biocarburantes a partir de materia orgánica. b) Procesos químicos, como: Transesterificación de los triglicéridos procedentes de aceites vegetales y grasas animales con metanol para obtener una mezcla de ésteres, previa separación de la glicerina, cuyo 4-3 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES comportamiento como carburante es similar al diesel procedente del petróleo. Hidrogenación de aceites y otras catálisis. c) Procesos termoquímicos, que transforman el material orgánico en condiciones extremas de temperatura, presión y anaerobiosis para obtener biocarbones y otros materiales sólidos biocarburantes. Figura 4.1 Resumen esquemático de la transformación de biomasa en biocombustibles1 Otro criterio clasifica los biocarburantes en generaciones lo que permite incluir en cada una de ellas varios elementos para establecer diferencias entre los distintos productos. a) Los biocarburantes de primera generación utilizan materias primas de uso alimentario (caña de azúcar, maíz, soya, girasol) y fermentación 4-4 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES (para obtener etanol) o transesterificación (para biodisel) como tecnologías de proceso. b) Los de segunda generación utilizan materias primas de tipo herbáceo o leñoso (celulosa) en el caso de etanol y semillas oleaginosas no comestibles (jatrofa, cardo), algas y aceites usados para biodiesel, que se diferencian de la primera generación porque esta biomasa no tiene usos en alimentación. Los procesos empleados son la fermentación, la transesterificación, ambos adaptados a las nuevas materias primas, y métodos termoquímicos para la obtención de biocombustibles sintéticos líquidos. c) Los de tercera generación son carburantes obtenidos a partir de cultivos bioenergéticos, cultivos específicamente diseñados o “adaptados” (técnicas de biología molecular) para mejorar la conversión de biomasa (p.e. árboles de menor contenido en lignina) en biocarburantes. d) Los de cuarta generación son considerados cuando a los biocombustibles de tercera generación se les suma la capacidad, tanto de la materia prima como del proceso de transformación, de mejorar la captura y almacenamiento de dióxido de carbono. 4.1.2. Balance Neto Energético (BNE) Cuando se habla de combustibles, en general suele emplearse un valor orientativo llamado balance neto de energía (BNE), que representa la relación entre el contenido energético del producto y energía gastada en su producción, en biocombustibles es muy variable e inferior al de los combustibles fósiles (valores de 50). Mientras que esta relación es elevada cuando se obtiene energía directamente de la biomasa (valores superiores a 10), disminuye significativamente cuando se trata de biodiesel (valores próximos a 2) y bioalcohol. Estos valores dependen de la materia prima y de la tecnología empleada. Por ejemplo, el bioetanol puede tener valores de 1,5 si procede de 4-5 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES maíz, de 12 si se obtiene de caña de azúcar y superiores si procede de los azucares fermentables liberados de la pared celular. El BNE y el análisis de emisiones de CO2 de los biocombustibles pueden ampliarse a otros efectos ambientales como el impacto sobre la biodiversidad, el funcionamiento hidrológico o la protección del suelo. Debido a las dificultades e incertidumbres de estos estudios, existe una gran disparidad de conclusiones sobre el comportamiento ambiental de la biomasa. Fargione (2008) y Searchienger (2008) muestran resultados del balance energético y de los efectos ambientales del aprovechamiento de distintos tipos de biomasa. Para calcular el BNE es necesario el concepto de “input” o “entrada” que engloba el uso directo de combustibles en la producción de biomasa, así como los usos indirectos (en la producción de fertilizantes, abonos, pesticidas y maquinaria agrícola). Este es un planteamiento complejo del que se infiere la necesidad de establecer algún coeficiente para aplicar a los balances energéticos, con objeto de poder establecer comparaciones homogéneas. En el cálculo del BNE se debe tener en cuenta el tipo de energía que se invierte en cada aspecto de la producción de un biocombustible. El cosechado y el transporte de la biomasa consumen mayoritariamente combustibles líquidos (diesel), mientras que la producción, transporte y almacenamiento de fertilizantes, herbicidas, insecticidas y fungicidas consumen tanto gas natural, como electricidad y combustibles líquidos. Los contenidos/gastos energéticos de distintos insumos y combustibles se presentan en la Tabla 4.1. Debe tenerse presente que las condiciones de cada proyecto influyen en los valores reportados, por lo que la tabla solo se muestra a manera de referencia para dimensionar y comparar los principales insumos de BNE. 4-6 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES Tabla 4.1 Contenido energético de los distintos insumos empleados en la producción de biomasa en países en vías de desarrollo Insumo/Combustible Contenido energético Referencia Diesel 38.96 MJ/l Castillo-Hernández et al. (2012) Gas natural 38.02 MJ/m3 NOM-001-SECRE-2007 Electricidad 10.06 MJ para Manzanares (1997) producir 1KWh Mano de obra 25 MJ/h Manzanares (1997) (producción agrícola) Mano de obra 0.27 MJ/h Manzanares (1997) (transporte de la biomasa) Semillas 8-100 MJ/kg Manzanares (1997) (dependiendo la especie) Fertilizante (N2; Urea 60.7 MJ/h Fernández (1996) y nitrato de amonio) Fertilizante (P2O5) 12.56 MJ/h Fernández (1996) Fertilizante (K2O) 6.7 MJ/h Fernández (1996) Herbicida 106 MJ/kg Manzanares (1997) Pesticida 100-110 MJ/kg Manzanares (1997) Alzado del terreno 419 MJ/h Bórjesson (1996) Siembra 280 MJ/h Manzanares (1997) Abonado 280 MJ/h Bórjesson (1996) Aplicación de 138 MJ/h Bórjesson (1996) insecticidas Riego 10.96 MJ por cada Bórjesson (1996) kWh El balance energético se basa en una comparación de las entradas (energía consumida) y la salida (energía producida) del proceso en unidades energéticas, principalmente en Joulios o calorías. En el cálculo del valor 4-7 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES energético de la biomasa producida (salida) hay que tener en cuenta si la biomasa a utilizar como combustible va a ser la biomasa total producida, la biomasa cosechable o una parte de la biomasa producida, la biomasa útil, que es la que se comercializaría posteriormente como combustible, normalmente después de un proceso de transformación. En este sentido, los biocombustibles de tercera y cuarta generación merecen una mención especial, ya que al emplear residuos de la industria agrícola es posible restar las entradas de producción (ya que invariablemente se gastaran, se genere o no energía con los subproductos). Un balance energético se puede expresar como el rendimiento energético neto (salida - entradas), o como la relación energética salidas/entradas (Ecuación 1). (1) Las entradas del balance energético de la producción de biomasa son por tanto el equivalente energético de las operaciones agrícolas relacionadas con el cultivo y de los materiales empleados en el mismo. En el punto siguiente se analizan en detalle los parámetros que constituyen estas entradas desde un punto de vista general, ya que hay que tener en cuenta que los procesos de producción de biomasa, y por consiguiente sus entradas, pueden variar ampliamente entre diferentes regiones dependiendo, entre otras, de las condiciones climáticas, el estado de desarrollo económico de la zona y muy concretamente, del tipo de cultivo. 4-8 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES 4.2. Biocombustibles solidos Los biocombustibles sólidos más importantes (de tipo primario) son los constituidos por materiales lignocelulósicos procedentes del sector agrícola o forestal y de las industrias de trasformación que producen este tipo de residuos. La paja, los restos de poda, o frutales, la leña, las cortezas y aclareos de las masas forestales son materia empleada en la elaboración de biocombustibles sólidos de origen agrario. Cáscaras y semillas de, residuos procedentes de la extracción del aceite, restos de las industrias la madera y el mueble, constituyen una materia prima de calidad para utilizarla como biocombustible sólido. En la Figura 4.2 se muestran algunos materiales lignocelulósicos que pueden ser empleados como biocombustibles sólidos o como materias primas para producirlos. (a) Paja de cereal2 (b) Residuos de la jima (c) Residuos de aclareos de agave3 en bosques de pino4 Figura 4.2 Materiales lignocelulósicos empleados como biocombustibles sólidos o como materias primas en la producción de éstos. Mediante la combustión de esta biomasa se obtiene energía que se aprovecha directamente como energía térmica o se transforma en energía eléctrica. El poder calorífico inferior, variable con la humedad del combustible, es la característica más representativa de su calidad. En este sentido el BNE de estos combustibles suele disminuir por que con frecuencia es necesario invertir tiempo/energía en secarlos para lograr un contenido de humedad (menor al 50%) que los haga aptos para su uso como carburantes. Otras características importantes para su comercialización son la densidad, la dispersión en el 4-9 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES terreno y la distancia al lugar de aprovechamiento, que también son tomados en cuenta en el cálculo den BNE, por el transporte necesario. 4.2.1. Biomasa densificada Aunque una parte importante de la biomasa se utiliza directamente, como por ejemplo la leña en hogares y chimeneas, las nuevas aplicaciones de los biocombustibles sólidos se basan en un tratamiento capaz de acondicionarla a los requerimientos de la demanda. Las formas más generalizadas de utilización de este tipo de combustible son astillas, serrín, pellets y briquetas (ver Figura 4.3). (a) Astillas (b) Pellet de biomasa (C) Briqueta de comprimida residuos forestales Figura 4.3 Biomasa desnificada.5 4.2.2. Astillas Las astillas constituyen un material adecuado para ser empleado en hornos cerámicos, de panadería, viviendas individuales, calefacción centralizada de núcleos rurales o pequeñas industrias. Se obtienen a partir de los restos leñosos de los tratamientos forestales, de las operaciones de corte de madera o de las podas de árboles de cultivos leñosos. Cuando las astillas se van a utilizar en quemadores específicos (que necesitan inyectores, por ejemplo), es preciso moler la biomasa para obtener un combustible más fino y eliminar 4-10 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES restos (arena, piedras, vidrios) que puedan acompañar al material hidrocarbonado (Ortiz-Torres, 2006). 4.2.3. Briquetas Para aumentar la densidad de la biomasa se transforma en briquetas. Este biocombustible suele presentarse en forma de cilindros de 50 a 130 mm de diámetro y de 5 a 30 mm de longitud con una densidad entre 1,000 y 1,300 kg/m3 (Ortíz-Torres et al., 2003). Su fabricación se realiza con prensas en las calentando y se sometiendo a altas presiones los trozos de madera, con el fin de que en su interior se desarrollen reacciones termoquímicos capaces de generar los productos adherentes que favorecen la cohesión del material. Este mismo objetivo se puede conseguir a menores presiones pero añadiendo adherentes. El serrín procedente de las industrias del mueble y la madera y es un buen candidato para fabricar briquetas. 4.2.4. Pellets Los pellets son similares a las briquetas pero más pequeños. Éstas se elaboran con prensas similares a las utilizadas para la fabricación de piensos para animales. La compactación se consigue de forma natural o mediante la adición de compuestos químicos. Durante el proceso de combustión. La materia prima, al igual que en el caso de las briquetas, debe tener poca humedad y baja granulometría. Este producto puede manejarse con facilidad y puede emplearse en instalaciones automatizadas de pequeño o mediano tamaño (Pak et al., 2011) 4.2.5. Biocarbón Otro grupo de biocombustibles sólidos recibe el nombre de carbones vegetales que procede de un tratamiento térmico de la biomasa leñosa (madera) en atmósferas anóxicas. Al ser el resultado de una alteración termoquímica de la biomasa primaria, se considera un biocombustible de naturaleza secundaria. El 4-11 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES carbón vegetal se obtiene mediante la combustión lenta y parcial de biomasa leñosa con un cierto contenido en humedad a una temperatura variable entre 250 y 600 C. El poder calorífico del producto obtenido varía entre 6,000 y 8,000 kcal/kg, dependiendo del contenido en cenizas de la madera. 4.2.6. Pirólisis La pirólisis es un proceso termoquímico que convierte la materia orgánica en combustibles útiles, con un alto rendimiento, mediante calentamiento a temperatura moderadamente alta (350-650 C) y en ausencia de oxígeno. Por su capacidad de tratamiento, es el método más eficaz para competir con las fuentes de combustibles no renovables (Sullivan y Ball, 2012). Desde un punto de vista químico, la pirólisis es un proceso complejo. Generalmente, se lleva a cabo a través de una serie de reacciones en las que influyen muchos factores: la estructura y composición de la materia prima, la tecnología utilizada, la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia, la velocidad de enfriamiento y la temperatura del proceso (Bridgwater, 1999). En la Figura 4.4 se muestra un diagrama conceptual de la penetración de calor en la pirólisis de biomasa lignocelulósica (madera). Dada la baja conductividad térmica de la biomasa (en general), la capa límite mostrada en la figura representa una barrera a la transferencia de calor. En la mayoría de los casos es necesario un tamaño de partícula pequeño y un calentamiento rápido para solventar estos inconvenientes. Una vez en fase gaseosa las reacciones tienden a ser rápidas. 4-12 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES Figura 4.4 Esquema general de la pirolisis de biomasa (lignocelulósica; madera).6 Los distintos tipos de procesos de pirólisis se clasifican atendiendo a la velocidad de calentamiento, el tiempo de residencia y la temperatura final en: carbonización, pirólisis convencional, pirólisis rápida, pirólisis flash de gases y líquidos, pirólisis ultra rápida, pirólisis a vacío, hidro-pirólisis y metano pirólisis (ver Tabla 4.2). Tabla 4.2 Tipos de pirólisis en función del tiempo de residencia, la velocidad de calentamiento y temperatura y los productos obtenidos de interés en cada una de ellos (Balat et al., 2009). Proceso Tiempo de Velocidad de Temperatura Productos residencia calentamiento (C) Convencional 5-30 min Lenta 600 Gas, líquido, biocarbón Carbonización Días Muy lenta 400 Biocarbón Rápida 0.5-5 s Muy rápida 650 Bioaceites Flash <1s Rápida < 650 Bioaceites (líquidos) Flash (gas) <1s Rápida < 650 Químicos y 4-13 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES gas Ultrarápida < 0.5 s Muy rápida 1000 Químicos y gas Vacío 2-30 s Media 400 Bioaceites Hidrólisis < 10 s Rápida < 500 Bioaceites Metanopirólisis < 10 s Rápida > 700 Químicos La pirólisis convencional tiene lugar con una velocidad de calentamiento lenta, alcanzando una temperatura máxima entre 500-600ºC. En estas condiciones, se obtienen tres productos: sólidos, líquidos y gases, en proporciones significativas. En la la pirólisis rápida el material se calienta rápidamente en ausencia de oxígeno y a temperaturas altas (650ºC). Se utiliza sobre todo para la producción de bioaceites. Los rendimientos son muy superiores a los que se obtienen en la pirólisis convencional. La velocidad de calentamiento elevada junto con un enfriamiento rápido provoca que la condensación de la fracción líquida se produzca evitando las reacciones de craqueo de los compuestos de elevado peso molecular, que pasan a formar parte de los gases no condensados. A escala comercial solamente se ha logrado con reactores de lecho fluido y se han instalado plantas piloto en varios lugares dentro de la Unión Europea. (Ozbay et al., 2008). Flash pirólisis o pirólisis ultrarrápida; cuando la temperatura del proceso es más elevada (1000 ºC) y los tiempos de residencias son aún más cortos, la pirólisis se denomina ultrarrápida. En este caso, el mayor rendimiento corresponde a los gases. Sin embargo, la pirólisis flash es una vía prometedora para la producción de bioaceites. La conversión de la biomasa en aceite crudo puede tener una rendimiento de hasta el 70%. Los aceites pueden ser usados en turbinas y motores, aunque existen problemas en su uso debido a sus propiedades físicoquímicas intrínsecas; una baja estabilidad térmica, corrosividad y bajo poder calorífico. En los procesos de pirólisis flash, las 4-14 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES condiciones de operación se pueden variar, para favorecer la producción de gas (flash-gas) o de líquidos (flash-líquidos). La Tabla 4.3 compara los rendimientos típicos de las fracciones obtenidas en los diferentes tipos de pirólisis. Tabla 4.3 Comparación de rendimientos (expresados en % peso/peso) de las fracciones obtenidas (líquidos, carbón y gas) en función del tipo de proceso termoquímico (Balat et al., 2009). Líquidos (%) Carbón (%) Gas (%) Pirólisis rápida 75 12 13 Pirólisis convencional 50 20 30 Carbonización 30 35 35 Gasificación 5 10 85 4-15 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES 4.3. Biocombustibles líquidos Los biocombustibles líquidos han ganado gran importancia en las últimas décadas debido a que pueden utilizarse de forma pura o mezclados con derivados del petróleo en vehículos automotores y el sector de transporte en general. Los principales biocombustibles líquidos utilizados en la actualidad son el bioetanol, el biodiesel y la bioturbosina. 4.3.1. Bioetanol El bioetanol de primera generación se obtiene a partir de la fermentación de los azúcares contenidos de algunos cultivos, como el almidón de maíz o el azúcar de caña y es uno de los principales biocombustibles que actualmente se utiliza como sustituto o mezclado con la gasolina (Gutiérrez-Pérez & Gutiérrez- Cánovas, 2009). En 2008, la producción mundial de bioetanol fue cercana a los 65,000 millones de litros, con un incremento respecto al 2007 del 30%, siendo Estados Unidos y Brasil los principales productores, aglutinando cerca del 90 % del total de la producción mundial (Mussatto et al., 2010), sin embargo, en países como México, utilizar cultivos destinados a la alimentación para producir combustibles podría comprometer la autosuficiencia alimentaria y encarecer los alimentos para consumo humano y animal (Aburto et al., 2008). México se ha rezagado en la implementación de un plan energético. En el 2008 se aprobó la ley de bioenergéticos que fomenta la utilización de bioetanol en la mezcla de gasolina nacional, con el fin de disminuir el uso de agentes oxigenantes como el éter metilterbutílico (MTBE), así como la importación de gasolina procedente de Estados Unidos (PEMEX, 2008). Lo anterior permitiría ahorrarle al país más de 400 millones de dólares que bien podrían ser usados en el desarrollo de tecnología para la producción de este biocombustible (SENER, 2006). 4-16 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES Una alternativa biotecnológica para la producción de etanol carburante en México y otros países, que no utiliza cultivos destinados a la alimentación, es la obtención de bioetanol a partir de residuos lignocelulósicos (Sarkar et al., 2012). Este etanol obtenido de celulosa se conoce como etanol celulósico o de segunda generación. El etanol de segunda generación implica la conversión de celulosa en azucares fermentables antes de su fermentación. La celulosa es el biopolímero más abundante y renovable del planeta, se encuentra en la naturaleza casi exclusivamente en la pared celular de las plantas, en un porcentaje que oscila entre el 35 y 50% en peso seco (Peters, 2006). Se estima que alrededor de 180 billones de toneladas de celulosa son producidas por las plantas anualmente, por lo que constituye una de las fuentes de carbono renovables más importantes que hay sobre la Tierra (Kadla & Gilbert, 2000). La hidrólisis de la celulosa y su conversión a productos como el bioetanol tiene un alto potencial económico y puede impactar positivamente sobre la conservación del medio ambiente al disminuir el uso de los combustibles fósiles y por consiguiente las emisiones de gases de efecto invernadero (Lynd et al., 2005). En México, la producción de caña de azúcar es de más de 50 millones de toneladas anuales, y ésta contiene un 16 % de fibra, por lo que se producen alrededor de 8 millones de toneladas de bagazo de caña al año. De este valor sólo un porcentaje bajo es utilizado en algunos rubros como la alimentación de ganado, en la industria de la construcción y como combustible de las calderas en los ingenios (Valdez-Barrón, 1996). Si la totalidad de este bagazo fuera utilizado para la producción de bioetanol, con las tecnologías con las que actualmente se cuenta, se podrían producir alrededor de 3 millones de metros cúbicos de etanol por año, lo cual daría para abastecer más de tres veces la cantidad requerida (900,000 m3/año) para usarlo como oxigenante en la gasolina mexicana (Aburto et al., 2008). El proceso para la obtención del etanol celulósico consta de tres etapas principalmente: el pretratamiento de la biomasa vegetal, la sacarificación de la 4-17 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES lignocelulosa y la fermentación de los azúcares obtenidos. En la primera etapa, el pretratamiento de los residuos agrícolas puede realizarse de forma química, física o biológica. Su propósito es remover la lignina y la hemicelulosa, así como incrementar las regiones amorfas en las cadenas de celulosa haciéndolas más vulnerables al ataque de enzimas celulolíticas. Posteriormente en la segunda etapa, la biomasa pretratada es sacarificada de forma química (Binder & Raines, 2010) o con celulasas provenientes de microorganismos (Khare et al., 2015), donde la celulosa es degradada a sus monómeros de glucosa y/o celobiosa y así obtener sacarificados ricos en azúcares fermentables (Henrissat et al., 1998). En la tercera etapa, se lleva a cabo la conversión de los azúcares fermentables presentes en los sacarificados, a etanol y dióxido de carbono por medio de microorganismos etanologénicos como Zymomonas mobilis y Saccharomyces cerevisiae (Byrne et al., 2005). En la actualidad, en México el costo de producción de bioetanol por litro es mayor al costo por litro de la gasolina, convirtiéndolo en una alternativa poco viable para sustituir a los combustibles fósiles utilizados en los vehículos automotores (Martínez-Jiménez et al., 2002). Por lo anterior, se han propuesto procesos simultáneos de sacarificación del residuo celulósico pretratado y la fermentación de los azúcares liberados, como alternativa para disminuir los costos de producción del bioetanol. La sacarificación y fermentación simultánea requiere del uso de bacterias o levaduras etanologénicas, a las que se les haya incorporado la capacidad de hidrolizar los residuos lignocelulósicos, esto mediante la clonación de celulasas por ingeniería genética (Den Haan et al., 2007). Lo anterior podría reducir los costos de producción del etanol celulósico casi a la mitad, ya que las enzimas necesarias en el proceso representan hasta un 50 % del costo total del bioetanol producido (Howard et al., 2003). 4-18 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES 4.3.2. Biodiesel En los últimos años, la investigación sobre biocombustibles se ha dirigido principalmente a explorar combustibles de aceites vegetales: es decir, ésteres metílicos de ácidos grasos a partir de aceites de semillas (Pinzi et al., 2009). Los aceites de semillas representan 70% de la producción mundial de aceites y son una respuesta alternativa al agotamiento de los combustibles fósiles y los efectos contaminantes en el medio ambiente (Lafarge et al., 2012.). La relativa simplicidad y versatilidad de los procesos físicos y químicos (hidrogenación o transesterificación), utilizados por separado o en combinación, permiten modificar las propiedades de los aceites vegetales para hacerlos particularmente adecuados para la transformación en biodiesel (BD) (Fernández et al., 2010). El biodiesel consiste de esteres mono-alquílicos de aceites vegetales, animales y/o microbianos, convertido a través de un proceso químico llamado transesterificación, que implica una reacción entre un mol de triglicéridos y tres moles de alcohol de cadena corta, siendo el metanol el más utilizado (Bastante et al., 2015) (ver Figura 4.5). Figura 4.5 Representación molecular de la transesterificación.7 La reacción de transesterificación es la unidad central del proceso de producción de biodiesel. Las operaciones unitarias antes de empezar la reacción en el reactor (instrumento para generar el proceso), consiste en 4-19 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES extraer el aceite de la materia prima (plantas, grasas animales, microorganismos) y si es necesario, generar un acondicionamiento del aceite, es decir, situar los valores necesarios para poder realizar la transesterificación. Las operaciones después del reactor, implican la separación de la fase acuosa (glicerina) de la fase aceitosa (biodiesel), el lavado con agua de los ésteres formados, la recuperación del alcohol y el tratamiento del efluente líquido (Van Gerpen, 2005) que debe de contener los parámetros que se muestran en la Tabla 4.4 (UNE, EN 14213, 2003). Tabla 4.4 Parámetros de las propiedades de Biodiesel en base a las normas Europeas. Propiedad Unidad Norma Parámetros MG (% w/w) % (m/m) EN 14105 Max; 0.8 DG (% w/w) % (m/m) EN 14105 Max; 0.2 TG (% w/w) % (m/m) EN 14105 Max; 0.2 Glycerol (% w/w) % (m/m) EN 14105 Max; 0.25 FAME (% w/w) % (m/m) EN 14103 Min; 96.5 Acidez (mg KOH/g) mg EN 14104 Max; 0.5 KOH/g Contenido en agua (ppm) mg/kg EN ISO 12937 Max; 500 Residuo de carbón (% w/w) % (m/m) EN ISO 10370 Max; 0.3 Flash Point, FP (°C) °C EN ISO 2719 Min; 120 Poder calorífico, HCV (J/g) MJ/kg ASTM D240 Min. 35 Viscosidad cinemática a 40ºC µ Mm2/s EN ISO 3104 Min; 3.5; Max; 2 (mm /s) 5 Densidad a 15º C, ρ(kg/m2) kg/m3 EN ISP 3675 Min; 860; Max; 900 Cuando es producido a partir de aceites vegetales, microbianos o grasas animales, es considerado renovable y biodegradable (Dorado, 2001). Los aceites más comunes utilizados en la producción de BD son: la colza, la soja, palma, coco, girasol, entre otros, considerados biocombustibles de primera 4-20 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES generación por ser cultivos alimenticios. Los de segunda generación son obtenidos de cultivos no alimenticios con coste reducido, como los residuos agroindustriales o de plantas no competitivas con dicho sector como las algas o plantas ruderales consideras “malesa” (Ejilah et al., 2010). Existen diferentes método para obtener biodiesel, pero el más utilizado por su facilidad en el uso y la tactilidad en la obtención es el método tradicional, como se muestra en la Figura 4.6. El avance en la tecnología, reducir el tiempo de reacción y disminuir los requerimientos energéticos también podría conducir a la reducción de los costos de producción de BD, Como resultado, durante los últimos años se han estudiado varias fuentes de energía alternativas capaces de reducir el tiempo de reacción a temperatura ambiente y reducir el consumo de catalizador en la reacción de transesterificación de BD. Entre estas energías auxiliares se encuentra el ultrasonido (US) (Veljkovic et al., 2012). El US mejora la transferencia de materia, el fraccionamiento y las reacciones químicas, dando lugar a un incremento en la eficiencia de las reacciones, reduciendo los tiempos de reacción y la temperatura (Figura 4.6). (Stamenkovic et al., 2007). (a) Método convencional de agitación (b) Ultrasonicación Figura 4.6. Sistemas de obtención de biodiesel 4.3.3. Bioturbosina La bioturbosina, biocombustible de turbina o combustible renovable de aviación, denominada técnicamente como bioquerosenos parafínicos sintéticos 4-21 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES (BKP o KPS), es un biocombustible sintético conformado por una mezcla de hidrocarburos lineales y ramificados; su densidad energética y sus propiedades físicas se apegan a las características de la turbosina convencional. La similitud en propiedades es de gran importancia, dadas las condiciones extremas de temperatura y presión a las que se somete el combustible durante el vuelo. La bioturbosina puede ser producida a partir de biomasa, entendida como la materia orgánica de origen vegetal o animal –incluidos los residuos y desechos orgánicos– susceptible de ser aprovechada energéticamente. La biomasa puede ser de primera, segunda o tercera generación. Básicamente, la de primera generación está representada por todos los cultivos susceptibles de usarse en la alimentación humana. En contraparte, la biomasa de segunda generación incluye residuos agrícolas y forestales compuestos principalmente por celulosa, así como aceites de semillas no comestibles, como jatropha (piñón), higuerilla y camelina. Por otra parte, la biomasa de tercera generación está representada por algas y microalgas. Sin importar la materia prima utilizada, los procesos de producción de bioturbosina deben tener un reducido impacto ambiental asociado, lo cual puede coadyuvar a incrementar su sustentabilidad. El uso del combustible renovable de aviación reduce de manera significativa las emisiones de gases de efecto invernadero, en comparación con la turbosina de origen fósil. Por otra parte, la principal diferencia de la bioturbosina con respecto a la turbosina convencional es la ausencia de componentes aromáticos. Esto provoca que su densidad esté por debajo del mínimo establecido en las especificaciones, con lo cual se podrían ocasionar derrames en el circuito de distribución del combustible. Tales desventajas desaparecen cuando el combustible es utilizado en mezcla con el combustible fósil. Por esta razón, la norma astm D7566 establece el uso de mezclas de turbosina fósil con hasta 50% de bioturbosina (edición #16, norma D7566). Actualmente, la mayoría de las investigaciones respecto a la producción de bioturbosina se ha encaminado a considerar como materia prima a los cultivos 4-22 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES energéticos. Éstos deben cumplir con criterios específicos, de modo que la producción del biocombustible no genere impactos negativos, ni ambientales ni socioeconómicos. Algunos de estos criterios incluyen que la materia prima utilizada en la producción de la bioturbosina no debe competir con la alimentación, no debe ser sumidero de fuentes de agua fresca o causar deforestación. Asimismo, la materia prima debe contener semillas con un alto contenido de aceite (por encima del 30% en peso), debe tener tiempos de cosecha relativamente regulares y ser de fácil adaptación a las condiciones climáticas de la zona donde se ha de producir el combustible. De acuerdo con los criterios anteriores, diversas variedades de jatropha, higuerilla y camelina han sido consideradas como promisorias para producir bioturbosina en el mundo. La primera posee entre 30 y 40% de contenido de aceite, la segunda, entre 40 y 60% y la tercera, entre 40 y 45%. Además, para su crecimiento no requieren condiciones especiales ni elevadas cantidades de agua (600-800 mm c. d. a. anuales), y son fácilmente adaptables. En este contexto, y de acuerdo con las políticas públicas de cada país, en el mundo se han considerado extensiones de terreno que se encuentran desaprovechadas pero que podrían ser promisorias para la siembra de cultivos energéticos; por supuesto, debe evitarse la competencia con aquéllos dedicados a la alimentación. Todo esto ayudaría además a aumentar la competitividad y rentabilidad del campo. En México, en 2014 el director de Aeropuertos y Servicios Auxiliares (asa), Gilberto López Meyer, destacó que en todo el país existen ente 50 000 y 100 000 hectáreas sembradas de jatropha, las cuales están orientadas a la producción del aceite vegetal para producir bioturbosina, sin que éstas perjudiquen las siembras para cultivos alimenticios. De manera general, existen dos principales rutas para la obtención de bioturbosina a partir de biomasa como materia prima. La primera emplea biomasa sólida que es gasificada para obtener un gas sintético conocido como syngas, el cual se somete a un proceso tipo Fischer-Tropsch, para obtener con este paso los KPS. Por otra parte, la segunda ruta considera la transformación 4-23 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES de aceites vegetales o grasas animales sometidos a un tratamiento químico mediante el cual se rompen las moléculas de triglicérido, se reduce así el tamaño de las cadenas de hidrocarburos resultantes para obtener los KPS. Para ambos casos, es necesario llevar a cabo la refinación de la bioturbosina. Actualmente en el mundo existen cinco procesos para la obtención de turbosina renovable. Cada uno de ellos posee un determinado grado de avance, así como ventajas y desventajas asociadas con el tipo de materia prima y con la forma de procesarla. En la Tabla 4 se presentan dichos procesos y un resumen de sus características más importantes. De todos ellos, el proceso de hidrotratamiento es el que presenta mayor grado de avance; además, la bioturbosina obtenida mediante este proceso se encuentra certificada ante la astm desde el 11 de julio de 2011. Todos los procesos mostrados en la Tabla 4.5 permiten obtener bioturbosina y presentan la posibilidad de ser integrados energéticamente para disminuir los costos relacionados con su operación, así como el impacto ambiental asociado; esto es posible a través de estrategias de intensificación de procesos. Desde 2011, México ha apostado hacia el proceso de hidrotratamiento y ha suministrado bioturbosina producida por uop Honeywell a partir de materia prima cosechada en el país. (Esta información sobre bioturbosina fue tomada del artículo “Bioturbosina: retos y oportunidades”, publicado en la revista Ciencia en 2016 esctrito por Romero Izquierdo A., Gómez De la Cruz A. y Gutiérrez-Antonio C.). 4-24 Tabla 4.5 Procesos de producción de bioturbosina DESARROLLADOR PROCESO ETAPAS DEL PROCESO PRODUCTOS VENTAJAS Bajo consumo de hidrógeno, ya  Hidrólisis North Carolina  Nafta que sólo se requiere para la etapa  Decarboxilación University y  LPG de isomerización y craqueo. Es Centia  Isomerización Diversified Energy  Bioturbosina flexible para transformar varios /craqueo Corporation  Diésel verde tipos de aceites vegetales y  Refinación grasas animales. Baja presión requerida para la Fraunhofer Institute  LPG operación, y bajo consumo de  Vaporización / for Environmental,  Gasolina hidrógeno, catalizador de costo Greasoline decarboxilación Safety and Energyy  Queroseno relativamente bajo; sin embargo,  Refinación Technology  Diésel verde la bioturbosina no es el producto principal.  Hidrotratamiento  Nafra Similar al proceso de UOP  Craqueo/ Syntroleum Bio- synfining  Bioturbosina Honeywell, pero su principal isomerización  Diésel verde producto es el diésel verde.  Refinación Fischer –  Gasificación  Nafra Se puede aprovechar todo tipo de Sasol Tropsch  Síntesis de Fischer-  LPG biomasa 4-25 Tabla 4.5 Procesos de producción de bioturbosina DESARROLLADOR PROCESO ETAPAS DEL PROCESO PRODUCTOS VENTAJAS Tropsch  Bioturbosina  Hidrotratameinto  Diésel verde  Hidrocraqueo  Refinación El proceso tiene la flexibilidad para utilizar diferentes aceites  Hidrotratamiento  Nafra vegetales o grasas animales. Es Hidrotrata-  Craqueo/  LPG UOP Honeywell similar a los procesos de miento isomerización  Bioturbosina refinación de la industria petrolera.  Refinación  Diésel verde Es posible obtener rendimientos hacia bioturbosina de hasta 36%. 4-26 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES 4.4. Biocombustibles gaseosos Los biocombustibles gaseosos son otra de las alternativas para sustituir el uso de combustibles fósiles, además de ser amigables con el medio ambiente, ya que involucran el uso de las herramientas biotecnológicas para la trasformación de residuos que contengan materia orgánica. Entre los biocombustibles gaseosos encontramos al biogas y biohidrógeno los cuales por su aporte energético en su combustión podrán sustituir algunos derivados del petróleo. 4.4.1. Biogás El biogás o biometano es una fuente de energía renovable producida por la digestión anaeróbica de la materia orgánica proveniente de diferentes sustratos. (Thran et al., 2007). Es un combustible limpio y amigable con el medio ambiente que contiene principalmente entre 55 al 65% de metano y de 30 a 40% de CO2. El biogás contiene una variedad de compuestos de azufre, sobre todo disulfuros y tioles. El valor energético del biogás, estará determinado por la concentración de metano alrededor de 25 MJ/m3, comparado con 33 MJ/m3 del gas natural (Arthur Wellinger, 2013). Aunque su potencia calorífica (Tabla 4.6) no es muy grande, puede sustituir con ventaja al gas natural, utilizándose en aplicaciones tan diversas como: fuente de calor, combustión en calderas de vapor para calefacción y combustible de motores acoplados a generadores eléctricos (Arthur Wellinger, 2013). 4-27 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES Figura 4.7 Equivalencias energéticas del biogás con otros combustibles8 Tabla 4.6 Valores promedios del poder calorífico de diferentes combustibles y su equivalente referido al biogás. (Tomada de: http://www.senergam.com.br/pagina/post/9/biogas) Combustible Kcal/m3 Kcal/Kg Cantidad equivalente a 1000 m3 de biogas/m3 Biogas 5335 1000 Gas natural 9185 581 Metano 8847 603 Propano 22052 242 Butano 28588 187 Electricidad 860 kcal/kwh 6203 kwh Carbon 6870 776Kg Petroleo 11357 470 Kg(553 L) combustoleo 10138 5262 528 L) 4-28 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES 4.4.2. Biohidrógeno Es un subproducto natural y transitorio formado de diversas reacciones bioquímicas metabólicas a partir de la biodigestión de materia orgánica de la biomasa llevadas a cabo por microorganismos (Mohan et al., 2013). a) Automóviles b) Dirigibles10 c) Industria impulsados por aeroespacial11 hidrógeno9 Figura 4.8. Diversas aplicaciones que se le ha dado al H2 El hidrógeno (H2) es considerado un importante y prometedor portador de energía que podría desempeñar un papel importante en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. El producto de la combustión del H2 es agua. El rendimiento energético es de 122 kJ / g, que es 2,75 veces mayor que el de los hidrocarburos (Christopher y Dimitrios, 2012). 4.4.3. Historia de los biocombustibles gaseosos 4.4.3.1. Biogas Hay sugerencias de que en siglo X A.C., para calentar el baño de agua en Asiria se usó quemando un gás que provenía de la digestión anaeróbica de los desechos 4-29 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES producidos (Bond y Templeton, 2011), sin embargo esto no se sabe con certeza ya que en los años de 1500-1600 la mala disposición de los residuos generados por las civilizaciones establecidas de aquel tiempo provocaba problemas de salud y malos olores por la producción de gases de la descomposición de materia orgánica, lo cual era un problema de seguridad e higiene, Van Helmont en 1580 tras sus investigaciones realizadas fue el primero en reportar que el material orgánico en descomposición producía gases inflamables (Tietjen, 1975). Figura 4.9 Problemas salud en la época medieval a partir de la mala disposición de la basura.12,13 En el año de 1776 Volta reporto que la cantidad de gas producido es directamente proporcional a la cantidad de material orgánico utilizado.Para el año de 1808 John Dalton y Humphrey Davy identificaron que el gas producido por la descomposición de la materia orgánica es llamando metano. A comienzos de 1866, Antoine Béchamp, biólogo francés, demostró concluyentemente que la formación de metano era un proceso biológico (McCarty et al., 1982). En 1875 Propoff establece que la formación del biogás se lleva a cabo bajo condiciones anaeróbicas. En 1884 investigaciones de Pasteur sobre la información del biogás a partir de los desechos de animales. En 1890 Omelianski, aisló los primeros microorganismos que fermentaban la celulosa responsables de la producción de metano, hidrogeno, ácido acético y otros ácidos orgánicos. En 1881 Frenchman, Mouras 4-30 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES fue el primero en utilizar el proceso de digestión anaerobia para el tratamiento de aguas residuales llamándolo “automatic scavanger”. Parte del siglo el desarrollo de la tecnología de digestión anaeróbica se mantuvo exclusivamente vinculado en el tratamiento de estabilización de sólidos en las aguas residuales domésticas (McCarty et al., 1982). A inicios de 1900 se empieza con el desarrollo de investigación en la producción de bioenergía a partir de los de la digestión anaerobia de los residuos orgánicos lo que condujo a unos nuevos desarrollos tecnológicos en la producción de biogas. Estados Unidos, Canadá y Europa occidental en año de 1967 la digestión anaeróbica se empezó a utilizar principalmente para procesar estiércol animal en los digestores anaeróbicos para la producción de biogás. Para 1980 una gran cantidad de digestores comenzaron a instalarse en países como Nepal, Pakistán, Bangladesh, Tailandia, Malasia, Indonesia, Papúa, Nueva Guinea, Filipinas, Egipto, Uganda, Tanzania, Etiopía , Zambia, Nigeria, México, Brasil y muchos otros países (Van Brakel, 1980).Actualmente a nivel mundial en los países desarrollados se ha dado un gran impulso para el tratamiento de aguas residuales utilizando digestores anaeróbicos y generar biogas (Abbasi, Tauseef, & Abbasi, 2012) 4.4.3.2. Biohidrogeno El desarrollo de uso del biohidrógeno tiene su origen después del uso de biometano en donde uno de los pioneros del desarrollo de la tecnología de biohidrógeno es Sir E. Ray Lankester (1929 ) que fue un prominente biólogo que investigó una gran variedad de organismos, desde protozoos hasta mamíferos (Gest y Blankenship, 2004). En 1939 Hans Gaffron obtuvo hidrógeno fermentativo y fotoquímico a partir de algas (Gaffron, 1939). Después en 1942 Gaffron and Rubin, reportaron que Scenedesmus, una microalga verde, produce hidrógeno molecular en condiciones de luz después de mantenerse en condiciones anaeróbicas y de obscuridad. En 1949 Gest estudió el metabolismo de las 4-31 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES bacterias fotosintéticas para la producción por fotoquímica de hidrógeno molecular.En ese mismo año Gest and Kamen descubrieron la producción dependiente de la luz en la fijación H2 y N2 por Rsp. rubrum (Ormerod and Gest, 1962). La producción de biohidrógeno usando bacterias comenzó hace algunos 45 años con Benemann y colaboradores quienes estudiaron la producción de hidrógeno utilizando una hidrogenasa de Clostridium kluyveri en 1973.En este mismo periodo de tiempo se realizó un programa sostenido de investigación y desarrollo en muchas áreas del hidrógeno como portador de energía comenzó en 1977, con el inicio de la Agencia Internacional de Energía (Vijayaraghavan y Soom, 2006).A partir de estos descubrimientos se ha venido realizando mucha investigación en el campo de mejorar la tecnología de los bioprocesos de producción de biohidrógeno 4.4.4. Uso de los biocombustibles gaseosos en México México en los últimos 30 años (de 1982 a 2012) se ha venido adentrado en la investigación y desarrollo de tecnología para la generación de bioenergía (Manzano A., 2013). El desarrollo de la tecnología del biogás en México empieza hacia el año de 1985 cuando en México se comienza a tener una mayor conciencia del potencial que ofrece el aprovechamiento de residuos, principalmente urbanos, dado los volúmenes que se manejan en las grandes ciudades del país. Instituto de Investigaciones Eléctricas y en el Instituto de Ingeniería de la UNAM es uno de los primeros institutos en México en empezar a buscar aplicaciones para la fermentación anaeróbica de ahí a través de los años diferentes instituciones así como empresas, instituciones públicas y privadas han venido realizando investigación para el establecimiento de tecnología para la producción de biogás en México (www.conae.gob.mx). Actualmente en México en muchos centros de investigación públicos y privados se encuentran realizando 4-32 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES investigación de vanguardia con la finalidad de eficientar e implementar bioprocesos tecnológicos para la producción de biocombustibles gaseosos con la finalidad de producir energía limpia y disminuir el consumo de los combustibles fósiles. a) Megabiodigestor LALA, Gomez b) Biodigestor Milpa Alta ,Ciudad de Palacio, Durango Mexico.14 Figura 4.10 Magabiodigestores de México productores de bioelectricidad 4.4.5. Política y mercados de energía de los biocombustibles gaseosos Los mercados de energía rara vez siguen las reglas de una economía de libre mercado. La razón de esto es que el precio de la energía en el mercado no está regulado solo por la demanda y la oferta, sino que, además, está sujeto a una multitud de regulaciones políticas y gubernamentales. Estas regulaciones siguen los requisitos básicos de economía, ecología y seguridad del suministro. En su mayor parte, la electricidad y el gas natural se distribuyen a través de líneas y redes que hasta hace poco tiempo pertenecían a las empresas de suministro de energía, actualmente los operadores de red y los proveedores de energía están formalmente separados unos de otros, y los consumidores les resulta mucho más fácil optar por otro proveedor. Otra característica de los mercados energéticos es que la emisión de gases de efecto invernadero debido a la producción de energía, 4-33 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES un importante factor de costo de la economía de cualquier país no se refleja en las políticas de precios en los mercados de energía. Debido a que la energía a partir de fuentes renovables son más costosas pero más "limpias" que la energía de fuentes convencionales es urgente idear un mecanismo que no solo haga rentable a las energías renovables si no se ocupe suministrar la demanda que se requiere para transporte, electricidad y calor. Una visión general del estado actual de la utilización del biogás para incrementar su participación en energías renovables considera que los propietarios de las plantas de biogás se les permita conectar sus plantas a las redes de distribución de energía disponibles y comercializar sus productos. Para mantener regulado los precios en energía se han aplicado dos instrumentos: sistemas de cuotas y sistemas de precios fijos. La posibilidad de utilizar sustratos muy diferentes en las plantas de biogás hace que el biogás sea una fuente particularmente interesante de energía renovable, sin embargo esto también hace que sea mucho más complicado en comparación con otras fuentes de energía renovables por todo lo que conlleva la transformación a biocombustible gaseoso (Smyth et al. 2009).Los biocombustibles gaseosos desempeñaran una función importante en el futuro suministro de energía sostenible por lo que la industria del biogás y los gobiernos deben estar en constante comunicación para el desarrollo de tecnología , nuevos sistemas de distribución de energía y políticas que regulen el suministro de energía. 4.4.6. Biomasa usada para la producción de biocombustibles gaseosos La biomasa es el término general utilizado para describir toda la materia biológicamente producida y, por lo tanto, incluye todo tipo de materiales y sustancias derivadas de organismos vivos. Históricamente, la producción de biocombustibles gaseosos se ha asociado con el tratamiento del estiércol, suspensiones de animales y con el tratamiento de estabilización del lodo de aguas residuales de las plantas de tratamiento. Sin embargo debió a la creciente 4-34 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES conciencia ambiental y la demanda de estrategias adecuadas de gestión de residuos se ampliado la variedad de biomasa para la generación de biocombustibles gaseosos. Los recursos de biomasa susceptibles de producción de biocombustibles gaseosos se pueden agrupar en categorías según diversos criterios: 1.-De acuerdo con el rango taxonómico de su origen que pueden ser vegetales y animales. 2.-Según el sector que los genera, que pueden ser agrícola (estiércol animal, subproductos y residuos vegetales, cultivos energéticos), industrial (residuos orgánicos, subproductos y residuos de las agroindustrias, industrias alimentarias, forrajeras y cerveceras , aguas residuales cargadas orgánicamente , lodos de procesos industriales, subproductos orgánicos de la producción de biocombustibles y biorrefinerías, etc.), municipal (residuos domésticos, lodo de alcantarillado, residuos sólidos municipales y residuos de alimentos). Por lo general, estos materiales orgánicos tienen un alto contenido de azúcar, almidón, proteínas o grasas, y una característica común es su capacidad para descomponerse fácilmente a través de digestión anaerobia (Arthur Wellinger, 2013). 4.4.6.1. Residuos agrículas como materia prima Los sustratos de materia prima utilizados para biocombustibles gaseosos se derivan principalmente del sector agrícola (Steffen et al., 1998). Estas materias primas consisten principalmente en diversos residuos y subproductos, de los cuales los más importantes son los abonos y suspensiones de animales. Durante la última década, se han probado nuevas categorías de materias primas y ahora 4-35 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES se usan en plantas de digestión anaerobia como son los cultivos energéticos cultivados especialmente para la producción de biogás. - Estiércol animal y lodos La cría de animales es una parte importante del sector agrícola en la mayoría de los países y representa alrededor del 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel mundial (Info-Resources 2007). El estiércol animal es un substrato usado para la producción simultánea de biocombustibles gaseosos y digestato (biofertilizante).El estiércol mejora la digestión anaerobia por lo que se puede usar mezclándolo con otros residuos agrícolas. El estiércol y lodos pueden provenir de una gran variedad de animales que pueden ser cerdos, aves de corral, caballos muchos otros. La producción de los biocombustibles gaseosos difiere según la especie de origen y la calidad de la alimentación del animal. Figura 4.11 Estiércol de animal producido en granjas.15,16 La digestión anaeróbica de estiércol animal y lodos es ampliamente utilizada y se está desarrollando cada vez más en Europa, Asia y América del Norte (Zafar, 2008). 4-36 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES - Residuos de cultivos y plantas La categoría de residuos de vegetales incluye varios subproductos como son los residuos de cosechas, plantas silvestres, cultivos en mal estado, frutas y verduras deterioradas. Los residuos de plantas generalmente se digieren como cosubstratos con abonos animales para la producción de biocombustibles gaseosos (Amon and Boxberger, 1999). - Cultivos energéticos El cultivo de cultivos especialmente dedicados a la producción de energía se desarrolló en la década de 1990 en países como Alemania y Austria . Estos incluyen maíz, diversas hierbas, diversos cereales, pasto, remolachas, patatas y girasoles (Murphy et al., 2011).El uso de cultivos energéticos como materia prima para el biocombustibles gaseosos implica algunos pasos tecnológicos previos a la digestión: cosecha, preprocesamiento y almacenamiento / ensilado. El maíz es el cultivo energético más utilizado en la mayoría de las plantas de biogás existentes (Murphy et al., 2011). El cultivo de cultivos energéticos requiere un alto aporte de fertilizantes, pesticidas y energía para la cosecha y el transporte, esto reduce considerablemente la sostenibilidad ambiental de su uso para biogás y para la producción de energía renovable en general. El cultivo de cultivos energéticos también implica un cambio de paradigma para el papel de agricultores en la sociedad (Felby, 2011). 4.4.6.2. Residuos industriales como materia prima Cantidades considerables de subproductos, residuos y desechos son producidos por actividades industriales que procesan materias primas agrícolas. Estas industrias incluyen alimentos y bebidas, forraje, procesamiento de pescado, leche, almidón, azúcar, productos farmacéuticos, bioquímicos y cosméticos, pulpa y papel. Muchos desechos orgánicos industriales se pueden digerir conjuntamente 4-37 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES con estiércol animal para la producción de biocombustibles gaseosos, con el uso posterior del digestato producido como biofertilizante (Angelidaki, 2002). Figura 4.12 Manejo de residuos industriales.17,18 La principal limitación para usar desechos orgánicos industriales para la producción de biocombustibles gaseosos está relacionada con su contenido potencial de sustancias indeseables, como contaminantes biológicos, físicos o incluso químicos. Dependiendo del proceso de su origen, los desechos industriales pueden contener impurezas físicas, metales pesados o compuestos orgánicos que representen riesgos para la salud de humanos y animales. Los beneficios ambientales es la eliminación desechos orgánicos industriales y subproductos que representan una fuente de contaminación para el medio ambiente. 4.4.6.3. Basureros municipales como materia prima - Fracción orgánica de la basura Se refieren a la fracción orgánica de los desechos domésticos que se recolecta en los basureros, como son: los desechos de alimentos, los desechos de jardín y otros desechos orgánicos similares (Favoino, 2002) Los residuos orgánicos recolectados por separado a menudo se digieren conjuntamente con estiércol animal para la producción de biocombustibles gaseosos. La principal limitación de usar este tipo de biomasa es la recolección selectiva de residuos domésticos 4-38 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES orgánicos lo que constituye un alto costo en la producción de biocombustibles. Sin embargo, el uso de este tipo biomasa contribuye a la eliminación desechos orgánicos domésticos, urbanos y industriales que representan una fuente de contaminación para el medio ambiente (Favoino, 2002). Figura 4.13 Rellenos sanitarios y el proceso de separación de la basura para la producción de bioenergía.19,20 4.4.6.4. Biomasa acuática En las últimas décadas, la investigación y la utilización biomasa acuática de aguas marinas esta creciendo hacia la producción de bioenergía (Wellinger, 2009).Existen dos tipos de biomasa que son de interés para la producción de bioenergía, el primero está representado por macroalgas, comúnmente conocidas como algas, y el segundo grupo son las microalgas que un grupo heterogéneo de organismos fotosintéticos microscópicos, en su mayoría unicelulares, que viven en aguas marinas o dulces. De las más de 30,000 especies de microalgas conocidas en todo el mundo, solo unas pocas son de interés comercial real, incluidas Chlorella, Spirulina, Dunaliella y Haematococcus (Wellinger, 2009). Las microalgas verdes, conocidas como diatomeas, se consideran las más adecuadas para la producción de biocombustibles gaseosos, así como para la producción de otros productos de alto valor agregado. En la mayor parte del mundo se produce biogás 4-39 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES con biomasa acuática como materia prima, sin embargo aún las soluciones tecnológicas para algunos problemas están en fase de investigación (Wellinger, 2009). Figura 4.14. Biomasa acuática usada para para la producción de diferentes biocombustibles.21,22 4-40 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES 4.5. Bioelectricidad La bioelectricidad es un fenómeno eléctrico de conversión fisicoquímico que tiene lugar tanto en organizaciones estructurales vivas complejas (clases especializadas de células) como en formas de vida más simples (microbios y algas). Algunas clases de células especializadas que tienen membranas excitables eléctricamente, como las neuronas, o células musculares del corazón, cerebro, músculo y las oculares tienen capacidad para desarrollar potenciales de acción (Sheela- Berchmans, 2018). En 1911, Potter fue el primero en estudiar el transporte de electrones directamente hacia un electrodo con la ayuda de un mediador externo en la forma más simple de vida (es decir, microorganismos) (Potter, 1911), esto abrió la puerta al desarrollo la tecnología de celdas de combustible microbianas como una energía más sostenible de generación a partir de diferentes materiales orgánicos. La energía alternativa puede convertir energía química en energía eléctrica a través de reacciones faradaicas y no faradaicas, fuentes de energía electroquímicas (pilas de combustible) y dispositivos de almacenamiento de energía (batería y supercondensadores). Las celdas de combustible microbianas (MFC por sus siglas en inglés) son los dispositivos de conversión de energía química (almacenada en la materia orgánica) en energía eléctrica (Kamaraj et al., 2017). 4.5.1. Celdas de combustible microbiano. Las MFC´s han surgido como un sistema de energía alternativa que convierte los materiales orgánicos en electricidad con la ayuda de un biocatalizador a temperatura ambiente. Esto se puede hacer empleando en una amplia gama de 4-41 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES materiales orgánicos, como; aguas residuales solubles como sustrato, lo cual que ofrece el doble beneficio de la generación de energía eléctrica renovable directa con aguas residuales, y al mismo tiempo, la remediación del agua. En una celda de combustible microbiana, el biocatalizador (microorganismos) encontrado en la cámara del ánodo oxida los sustratos orgánicos, liberando electrones y protones. Los electrones luego viajan al lado del cátodo por un circuito externo y los protones se difunden a través de la membrana de intercambio de protones, conocida como PEM. Los protones y electrones se combinan posteriormente en el lado del cátodo con oxígeno molecular para producir agua (Fig. 4.15). 4.5.2. Aplicaciones Los sistemas de celdas de combustible microbianas basados en efluente / afluente de biomasa pueden ser valiosos en procesos de biorrefinería debido a la generacion de energía a partir de los desechos de biomasa (es decir, biomasa descartada después de completar procesos de producción de subproductos de combustible o de valor añadido) y reducción de flujos de residuos (Borole et al 2009, Schroder 2008, Borole et al., 2013). Además del donador de electrones proporcionado en la cámara anódica, la concentración de sustrato orgánico complejo es importante por su influencia en la comunidad microbiana, la producción de potencia y la viabilidad económica (Cheng y Logan 2011; Zhi et al., 2014). Se han reportado varios sustratos orgánicos para la generación de energía en celdas de combustible microbianas, desde azúcar simple, puro o de bajo peso molecular hasta material orgánico complejo (que contiene carbohidratos, proteínas, ácidos volátiles, celulosa y aguas residuales) (Chae et al., 2009; Rezaei et al. 2009, Liu et al. 2009). 4-42 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES Figura 4.15. Representación esquemática de una celda de combustible microbiana.23 4.5.3. Viabilidad económica de una MFC La generación de energía eléctrica mediante MFC está en desarrollo y aún se encuentra lejos de representar una tecnología económicamente viable. Farias (2016) ha planteado un estudio técnico-económico de esta tecnología en el que determina algunos criterios de viabilidad económica como los flujos de efectivo y las tasas de retorno de capital para MFC’s, concluyendo que en proyectos de inversión la recuperación de capital siempre excede los 15 años, a menos que se produzcan 8 KWh/año por litro de celda de combustible. Este valor está muy por encima de las cantidades obtenidas en la actualidad (Morodo et al., 2015). Otro aspecto a considerar es que la producción de energía eléctrica MFC puede ser acoplada con la remediación de aguas residuales, por lo que los costos del tratamiento pueden reducirse, con lo que se abre la puerta a la valoración 4-43 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES económica de esta tecnología como herramienta para incrementar la sostenibilidad en el uso del agua. 4-44 UNIDAD ESPECIALIZADA EN ENERGÍAS RENOVABLES Referencias de Figuras 1. Davis, S.C., Hay, W. & Pierce, J. (2014). 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