Energía y Biocombustibles
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INTRODUCCIN
El uso global de energa ha aumentado en forma continua desde la revolucin
industrial; por ejemplo, se multiplico por cinco de 1937 a 1988 y este crecimiento se
espera que contine en el futuro. El incremento global en la demanda de energa fue
del 1.85% en 1995, pero excluyendo la antigua Unin Sovitica, el crecimiento de la
demanda de energa fue del 2.9% debido al aumento en la demanda de los pases
asiticos en desarrollo (Anon., 1997). Es obvio que la demanda energtica varia de un
pas a otro dependiendo de su estado de desarrollo y hay una ntima correlacin entre
el consumo de energa y la mejora de las condiciones de vida. La demanda global anual
de energa en la actualidad es de 398*1018 J. El petrleo, el gas y el carbn son las
principales fuentes de energa, suplementadas por la biomasa y la energa
hidroelctrica y nuclear.
Este documento destaca la demanda mundial de energa y las alternativas disponibles
a los combustibles fsiles, concentrndose en los combustibles de base biolgica tales
como el biogs, la biomasa y el etanol.
33%
23%
19%
14%
6% 5%
Energia
Petroleo Carbon Gas Biomasa E. Nuclear E. Hidroelectrica
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Los principales combustibles fsiles don el petrleo y el gas natural. La energa nuclear
fue introducida durante este tiempo y el gas natural y el petrleo han reemplazado al
carbn en muchos casos. Las razones de que se continen utilizando los combustibles
fsiles es que se encuentran en todo el mundo, requieren una tecnologa simple para
extraer la energa y pueden ser transportados con facilidad. Otra caracterstica de
importancia es que el petrleo y los productos petrolferos son lquidos, lo que hace su
transporte conveniente y esta propiedad es requerida para su uso como combustibles
de automocin. Sin embarg, a pesar de su uso continuado hay problemas asociados
con los combustibles fsiles:
Disponibilidad finita
Produccin de gases de efecto invernadero (calentamiento global).
Produccin de otros contaminantes (contaminacin del aire, lluvia acida).
Con los aos el uso del carbn se ha reducido corno proporcin del suministro total de
energa y la mayor parte del carbn se utiliza ahora para la generacin de electricidad.
El gas natural est reemplazando al carbn para la generacin de electricidad, ya que
es ms barato y ms limpio y produce ms energa en su combustin. Sin embargo el
gas natural es menos abundante y no est distribuido uniformemente y se estima que
las reservas duraran solo hasta el 2047.
La mejora en la eficiencia de la combustin y la continua exploracin y deteccin de
fuentes de petrleo han aumentado las perspectivas de duracin de reservas de
petrleo. Sin embargo se han estimado que el suministro de petrleo durara solo hasta
el ao 2080, aunque el precio del crudo ha permanecido estable e incluso ha
descendido. Sin embargo, la demanda de petrleo continua aumentando (tabla 6.1) y
como consecuencia la extraccin de petrleo debe ser realizada en condiciones cada
vez ms hostiles y difciles.
Tabla 6.1 Demanda de petrleo y gas. Mbbl/d
1993 1994 1995 1996
Antigua Unin Sovitica Otros no-OECD` OECD` Total
5.73 22.79 39.04 67.56
4.83 23.98 40.00 68.81
4.77 24.97 40.30 70.04
4.55 26.05 41.20 71.80
Millones de barriles por da, 1 barril = 159 litros. OECD: Organizacin para el Desarrollo y la Cooperacin
Econmica.Fuente: Informacin Europea sobre la Energa. 1997
La combustin de los combustibles fsiles, carbn, petrleo o gas dan lugar a la
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produccin de un numero de productos de combustin. Como puede observarse en la
tabla 6.2.
Algunos de estos productos de combustin se conocen como gases de efecto
invernadero, aparte de los clorofluorocarbonos (CFC`s), existen en la naturaleza e
incluyen:
Vapor de agua
Ozono
Dixido de carbono
Metano
xido nitroso
clorofluorocarbonos (CFC`s)
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Tabla 6.3 Gases de efecto invernadero afectados por las actividades humanas
Parmetro CO2 CH4 CFC-11 CFC 12 N2O
Concentraciones pre-industriales (1750 1800)
280 ppmv 0.8 ppmv 0 0 280 ppbv
Concentraciones actuales (1990)
353 ppm 1.72 ppmv 280 pptv 484 pptv 310 ppbv
Tasa actual de acumulacin
0.5% 0.9% 4% 4% 0.25%
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Las actividades humanas tales como la deforestacin y la combustin de los
combustibles fsiles han incrementado la concentracin de los gases de efecto
invernadero. La Tabla 6.3 muestra las concentraciones y cambios en algunos gases de
efecto invernadero a partir de la revolucin industrial (Houghton et al., 1990). El vapor
de agua y el ozono no se incluyen en la Tabla 6.3. El vapor de agua tiene el mayor
efecto invernadero pero su nivel no se ve afectado por las actividades humanas,
aunque cambiar en respuesta al calentamiento global.
Los niveles de ozono han cambiado debido a la actividad humana, pero es difcil
estimar la concentracin de ozono y por lo tanto ha sido omitido. Las contribuciones
de los restantes gases de efecto invernadero se muestra en la Figura 6.5. La
combustin de los combustibles fsiles y la deforestacin han incrementado la
concentracin de dixido de carbono en un 26% desde el comienzo de la revolucin
industrial. Fig. 6.6.
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Las emisiones anuales de dixido de carbono son de 7 billones de toneladas que
podran aumentar a 20 billones para el ao 2010. Los incrementos predecibles se
indican en la Figura 6.6. A esta velocidad se puede esperar un aumento global de 2,5C
para el ao 2100 (Houghton, 1996).
Este es el cambio ms rpido en la temperatura durante los ltimos 10.000 aos y dar
lugar a un aumento del nivel de los mares de 0,5 metros debido, a la expansin del
mar y la fusin de los hielos. Esto afectar directamente a la poblacin que vive en
zonas de bajas altitud tales como las regiones del delta en Egipto, China y Bangladesh
donde 6 millones de personas viven a una altitud inferior a un metro.
Los niveles de metano son dos veces ms altos que en la era pre-industrial (Tabla 6.3) y
han aumentado debido a las actividades humanas tales como el cultivo del arroz, la
extraccin de gas natural (incluyendo las fugas) y la minera de carbn. Las
contribuciones de las diversas fuentes se indican en la Tabla 6.4. La principal va de
eliminacin del metano es a travs de su reaccin con los radcales hidroxilo en la
atmsfera, siendo una fuente significativa de vapor de agua estratosfrico. Sin
embargo, la importancia cuantitativa de las diversas fuentes no se conoce todava.
Los CFCs son nuevos en el medioambiente, la concentracin de estos halocarbonos ha
aumentado mis rpidamente que la de otros gases de efecto invernadero y se ha
demostrado que los CFCs eliminan el ozono en la estratosfera. La reduccin de la capa
de ozono permitir que una mayor cantidad de radiacin ultravioleta alcance la
superficie terrestre, causando daos a la piel (quemaduras solares) y con una
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exposicin continuada, un incremento de los canceres de piel.
El Protocolo de Montreal de 19147 tuvo como objetivo limitar la produccin y
consumo de haloscarbonos y muchos de los pases desarrollados han adoptado
utilizacin, de productos qumicos alternativos.
Tabla 6.4 Fuentes y sumideros de metano
Liberacin anual (millones de toneladas )
Fuentes
Zonas hmedas naturales 115
Arrozales 110
Fermentacin entrica 80
Yacimientos de gas, perforaciones 45
Combustin de biomasa 40
Termitas 40
Minera de carbn 40
Ocanos 10
Aguas fluviales 5
Destilacin de hidratos de metano 5
Sumideros
Eliminacin en los suelos 30
Reduccin con OH en la atmosfera 500
Incremento en la atmosfera 44
El nivel actual del xido nitroso es un 8% superior a su nivel pre industrial. Las fuentes
de xido nitroso son difciles de cuantificar, pero las actividades humanas han
aumentado los niveles.La principal perdida de xido nitroso ocurre con la
descomposicin fotoqumica en la estratosfera.
La combustin de los combustibles fsiles tambin produce otros gases adems de los
gases de efecto invernadero, tales como dixido de azufre y oxido se nitrgeno (NOx).
Su combustin contribuye al 54% del dixido de azufre atmosfrico (Tabla 6 3).
Las emisiones de las combustibles fsiles provienen de los compuestos de azufre
orgnico e inorgnico en el carbn y petrleo. Las emisiones de dixido de azufre y en
cierta medida de las de xido nitroso son responsable de la formacin de lluvia acida y
smog urbano.
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Tabla 6.5 Emisiones globales de compuestos de azufre a la atmosfera
Fuente Flujo anual ( millones de toneladas de S)
Antropognica (combustibles fsiles)
80
Combustin de biomasa 7
Ocanos 40
Suelos y plantas 10
Volcanes 10
TOTAL 147
Para reducir los problemas asociados con la combustin de los combustibles fsiles se
pueden tomar ciertas medidas, incluyendo las siguientes:
Incremento de los sumideros de dixido de carbono tales como los bosques
Reduccin en la emisin de los gases de efecto invernadero y otros gases a
travs de un incremento de la eficiencia de los sistemas de energa existentes.
Eliminacin del dixido de carbono de las emisiones de los combustibles fsiles.
Uso de fuentes de energa alternativas que no produzcan gases de efecto
invernadero
Eliminacin del dixido de carbono
La eliminacin del dixido de carbono por la captura del mismo de las emisiones de los
combustibles fsiles se encuentra en un estado de desarrollo muy inicial. La plantacin
de bosques para absorber el dixido de carbono parece un proceso fcil pero se ha
calculado que para absorber el dixido de carbono emitido por los combustibles fsiles
en los Estados Unidos el 23% del rea del pas debera estar cubierta de bosque.
Obviamente esto no es posible, pero un programa de reforestacin ayudara a
compensar por las prdidas de bosques en zonas como el Amazonas.
Se han propuesto otros esquemas basados en la separacin del dixido de carbono de
los gases de combustin y su conduccin a la profundidad del ocano o a reservorios
de gas natural vacos. Estas posibilidades probablemente no se desarrollarn debido a
su alto coste.
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Un proceso que parece prometedor es la eliminacin del dixido de carbono de los
gases de combustin utilizando microalgas. El proceso utiliza microalgas para fijar el
dixido de carbono en los gases de combustin de una central energtica que utiliza
combustibles fsiles. Se ha cultivado la microalga marina Tetraselmis suecica con
adicin de dixido de carbono puro o de gases de chimenea, obtenindose una
utilizacin del dixido de carbono de 96% (Laws and Berning, 1991).
Mejoras en la eficiencia de los sistemas existentes de generacin de energa
En las centrales energticas convencionales se quema carbn-pulverizado para
producir vapor de agua que acciona una turbina para producir electricidad con una
eficiencia de alrededor del 37%. La emisin de dixido de azufre en los gases de
combustin puede ser reducida mediante la utilizacin de carbn de bajo contenido en
azufre o eliminando el azufre del carbn antes de la combustin.
En la generacin de electricidad a partir de petrleo se pueden utilizar crudos de bajo
contenido en azufre y el gas natural contiene bajos niveles de compuestos sulfurados.
El xido nitroso puede ser eliminado de los gases de combustin mediante reduccin
cataltica utilizando amoniaco mezclado con los gases.
El uso de sistemas avanzados de combustin tales como los combustores atmosfricos
de lecho fluidizado o los combustores presurizados de lecho fluidizado permiten la
combustin del carbn con carbonato clcico que elimina alrededor de 90% del azufre
como escoria. La eficiencia tambin permite la utilizacin de temperaturas ms bajas
lo cual reduce la formacin de xido nitroso. Otros sistemas avanzados implican la
conversin del carbn en gas, del cual puede eliminarse el azufre antes de la
combustin. Todos estos sistemas reducen la emisin de dixido de azufre pero siguen
produciendo dixido de carbono.
6.2 Fuentes de energa alternativas no fsiles
Se est investigando en todo tipo de sistemas alternativos para la produccin de
energa (ETSU, 1994; Consejo Mundial de la Energa, 1994). Aquellos en uso o en
desarrollo son los siguientes:
Energa nuclear
Energa hidroelctrica
Energa de las mareas
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Energa de las olas
Energa elica
Energa geotrmica
Energa solar
Procesos biolgicos
6.2.1 Energa nuclear
El proceso de fisin de uranio es la base de la produccin de grandes cantidades de
energa en las centrales nucleares. El proceso de fisin es la principal ventaja y
desventaja de la energa nuclear. Este proceso libera grandes cantidades de energa,
alrededor de 50 millones de veces ms que el carbn en base a peso. Esto significa que
requiere una cantidad de uranio muy pequea; lo cual reduce problemas de transporte
y almacenamiento del combustible. Sin embargo el uranio es caro de producir y
requiere la extraccin de cantidades considerables de mena. La mena contiene
alrededor de un 0.7% de uranio-235 que debe ser enriquecido hasta un 3% antes de
utilizarlo en el proceso de fisin. La mayor desventaja de la energa nuclear es que la
fisin genera materiales radioactivos. El volumen de los residuos es pequeo en
comparacin con los de los combustibles fsiles, pero los materiales radioactivos son
muy difciles de manejar. Altos niveles de radiacin pueden causar dao y muerte y
aunque sean insuficientes para causar un efecto inmediato pueden causar
transformaciones celulares y mutaciones que dan lugar a canceres algunos aos
despus.
Esto ha hecho que la poblacin sea ms cautelosa con la energa nuclear y ms inclinada a aceptar otras fuentes alternativas de energa
6.2.2 Energa Hidroelctrica
La produccin de energa hidroelctrica es limpia, no contaminante, duradera y
renovable. La energa se deriva indirectamente de la radiacin solar, ya que esta
evapora el agua de los ocanos que es devuelta en forma de lluvia dando lugar a ros y
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lagos. La energa hidroelctrica es una tecnologa probada y tiene la ventaja de que no
est asociada a emisiones de dixido de carbono o de otros gases. Sin embargo,
ningn proceso de generacin de energa esta carente de impacto medioambiental.
6.2.3 Energa de las mareas
El regular ascenso y descenso del nivel del agua debido a las mareas puede ser
denominado para generar electricidad. Al igual que la energa hidroelctrica el proceso
es limpio, fiable, duradero y renovable. La amplitud de las mareas en las bahas o
estuarios de una estimacin de la energa potencial del lugar. La construccin habitual
es atrapar el flujo de la marea detrs de una barrera o presa, liberando el agua atraves
de turbinas cuando la marea desciende y en algunos casos cuando la marea sube.
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6.2.4 Energa de las olas
Se han propuesto aparatos para la conversin de la energa de las olas en energa de
turbina o de compresin y se ha aprobado en cierto nmero de ellos. El problema en la
actualidad est relacionado con la eficiencia y la fortaleza de la construccin que debe
ser capaz de soportar las condiciones invernales, adems de los costes iniciales.
6.2.5 energa elica
El control de la energa del viento es uno de los mtodos alternativos de generacin de
energas ms prometedoras, ya que posee el potencial de generar cantidades
sustanciales de energa sin contaminacin. En el mundo se generan ms de 7 000 MW
de electricidad a partir de la energa elica.
La mayora de las turbinas elicas son reactores de eje horizontal con la capacidad de
girar al cambiar la direccin del viento.
La desventaja obvia de la energa elica es que este ligada al viento que puede ser
variable incluso en las zonas ms ventosas y aunque las molestias son pequeas ha
habido quejas respecto al ruido generado por turbinas. Un mtodo de reducir el
impacto en el paisaje es situar los rotores fuera de la costa, lo que tambin tiene una
ventaja de viento ms estable.
6.2.6 Energa geotrmica
Se llama energa geotrmica a la energa que puede obtenerse mediante el
aprovechamiento del calor del interior de la Tierra.
El calor de estas rocas calientes o fundidas puede ser extrado de dos maneras:
1) El primer mtodo de extraccin de calor es el que tiene lugar de forma natural
cuando las rocas entran en contacto con aguas subterrneas. Esto da lugar a agua a
una temperatura de hasta 300C dando lugar a manantiales de agua caliente o geiseres
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cuando alcanza la superficie.
Si la temperatura del agua es superior a 150-170C puede ser utilizada para hacer
funcionar turbinas de vapor directamente para la generacin de electricidad. Si el agua
est por debajo de 150C puede utilizarse como suministro de agua caliente para
calefaccin industrial o domstica.
2) en el caso en que las rocas no son accesibles al agua, las rocas pueden fracturarse y
se puede bombear agua en la zona para extraer el calor.
6.2.7 Energa solar
La energa solar puede ser utilizada directa o indirectamente en :
Paneles solares para generacin de agua caliente
Colectores para generacin de vapor
Arquitectura solar para calefaccin de edificios
Termoelectricidad solar, vapor utilizado para generacin de electricidad
Clulas fotovoltaicas, generacin directa de electricidad
Generacin solar de hidrogeno
6.3 fuentes de energas biolgicas
El uso de materiales biolgicos renovables para reemplazar a los combustibles fsiles
tienen numerosas ventajas, reduccin en el uso del carbn y petrleo, reduccin en la
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emisin de gases de efecto invernadero y de otros gases, y el hecho de que este
suministro de energa es inagotable y renovable.
La energa puede producirse a partir de material biolgico, bien por combustin
directa de la madera o de residuos vegetales o por su conversin en otro combustible
tal como metano o etanol. La tabla 6.6 destaca las posibles fuentes de biocombustibles
y los tipos de combustibles a que dan lugar. Las fuentes de energa pueden ser las
siguientes:
Combustin de biomasa
Produccin de biogs (metano)
Crudo derivado de plantas
Produccin de etanol
Fermentacin de acetona/butanol/etanol (ABE)
Produccin de hidrogeno.
Tabla 6.6 posibles fuentes de biocombustibles.
biomasa Fuente combustible
Madera/hierva
Plantas leosas Bosque tallar de rotacin acelerada Hiervas perennes
Virutas de madera Carbn vegetal Metanol/ABE
Almidn
Cereales Mandioca Maz patata
Etanol/ABE
Azcar
Caa de azcar Remolacha Aguaturma sorgo
Etanol/ABE
Crudo
Colza Girasol Algas
Aceites transesterificados aceites
Planta entera
Jacinto de agua algas
Biogs Uso directo
Bacterias cianobacterias hidrogeno
6.4 COMBUSTIN DE BIOMASA
Biomasa es el trmino para la materia orgnica viva o muerta, tal como rboles,
cosechas, hierbas, races y residuos de procesamiento de vegetales. La conversin de
la biomasa en calor o energa puede realizarse de diversas formas: combustin
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directa, gasificacin y pirolisis. La combustin directa de la biomasa en forma de
madera se viene utilizando durante miles de aos como fuente de calor.
Aproximadamente un 90% de la energa de la biomasa est contenida en los rboles y
en los pases en vas de desarrollo la madera no es utilizada solamente como energa
sino en varias otras industrias. Adems los arboles no estn siendo repuestos a la
misma velocidad en que se cosechan, de modo que el recurso est siendo eliminado y
se est liberando CO2 a la atmosfera. La gasificacin es un proceso en que la biomasa
reacciona con vapor y oxgeno para producir un combustible gaseoso. El gas resultante
es una mezcla de CO, H, CH4, CO2 y N2 . Existe un nmero de mtodos de gasificacin
que funcionan a diferentes temperaturas. La ventaja del proceso de gasificacin es que
produce un combustible ms limpio, que al ser un gas es ms verstil y que puede ser
quemado en quemadores, motores de combustin interna y turbinas de gas. La
pirolisis es el calentamiento de 300 500 C. Bajo estas condiciones los slidos que
quedan son carbn vegetal y las sustancias voltiles recogidas pueden ser usadas, tras
su tratamiento, como aceite combustible. La fuente de biomasa pueden ser residuos
agrcolas, domsticos e industriales y cosechas cultivadas con este propsito. El
contenido energtico de los residuos de las cosechas se indica en la Tabla 6.7 y se
compara con la gasolina.
Tabla 6.7 contenido medio de energa de los combustibles
Combustible energa (GJ/tonelada)
madera (20% de humedad) 15
Papel 17
estircol (seco) 16
paja (seca) 14
caa de azcar 14
Residuo domstico 9
Residuos comerciales 16
Hierba 4
Petrleo (gasolina) 42
Carbn 28
Gas natural 55
Fuente: Boyle, 1996, con permiso de Oxford University Press
En la actualidad aproximadamente 200 000 toneladas de paja, menos de un 1% del
total producido en el Reino Unido se queman en quemadores. En los pases tropicales
residuos como el bagazo (caa de azcar), la corteza del arroz y las plantas de algodn
viejas estn siendo estudiadas como combustibles. Los residuos domsticos e
industriales tambin contienen material combustible que puede ser utilizado. La
mayora del residuo domstico en el Reino Unido va a los vertederos, pero existen
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algunos quemadores de residuo solido funcionando en el Reino Unido que venden
electricidad generada a partir de combustibles no fsiles.
El cultivo de cosechas especficamente para produccin de energa ha atrado atencin
en particular en la UE, como provisin de material renovable para la generacin de
bioenerga.
Tabla 6.8 Rendimiento en biomasa de posibles cultivos para biocombustible
planta peso seco/ha/ao
plantas leosas
Populus 10 - 17 Salix dasyclodo 6 - 15 Eucalyptus grandis 15 Plantas oleaginosas Colza 2 - 3 (rendimiento en aceite 0.4) Plantas para hidrocarburos Calotropis 10.8 - 21.9 euphorbia lethyris 3 - 10 Hierbas Caa de azcar 38 - 70 Sorgo 20 - 37 Miscanthus 20 Limpo (hemmthria) 7 - 22 Napier (pennisetum) 34 - 55 Maz 26 Acuticas Jacinto de agua (eichornia) 52 - 100 Colas de gato (typha) 8 - 34 Races y Herbceas Patata dulce (ipomoea) 5 - 21 Aguaturma (helianthus) 2.8 - 9 Remolacha 7.8 - 15.4 Mandioca (manihot) 6.1 - 13.2 Fuentes: Klass, 1981; lewis, 1985: Martin, 1991.
Este sistema de produccin de bioenerga tiene las ventajas de ser renovable y de ser
neutro en trminos de dixido de carbono y de utilizar el exceso de tierras de la UE.
Pero las principales limitaciones son los costes de cosecha, transporte, secado y
almacenamiento y la tecnologa de combustin. Para que estas cosechas puedan
reemplazar al carbn o al gas como combustible deben ser capaces de competir en
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coste. Las principales cosechas que han sido consideradas como posibles candidatos
son los bosques (virutas de madera ), el bosque tallar de rotacin acelerada y las
hierbas perennes. Al considerar un programa de bioenerga a gran escala hay que
tener en cuenta los siguientes parmetros.
Disponibilidad de tierra
Productividad de la especie
Sostenibilidad medioambiental
Factores sociales
Viabilidad econmica
6.5 BIOGAS
La digestin anaerbica se ha desarrollado para el tratamiento de residuos
orgnicos de alta BOD y produce biogs con un contenido del 50 75 % de metano. En
los pases desarrollados este biogs se utiliza para calentar y hacer funcionar las
bombas de los reactores anaerbicos en las plantas de tratamiento de aguas
residuales. Un digestor puede producir 200-400m3 de gas a 11GJ, que rinde dos tercios
de la energa original presente en el estircol o el agua residual. En otros casos el
biogs se ha utilizado para producir electricidad lo cual da derecho a una prima por
combustibles no fsiles segn el acuerdo NFFO. En los pases en desarrollo, los
digestores anaerbicos se han asociado al tratamiento in situ de los residuos para
produccin de gas, India y China han desarrollado pequeas plantas de biogs donde
se utilizan los residuos de las granjas de cerdos o del ganado. En algunas reas, el
Jacinto de agua se ha cultivado en lagunas para la digestin de residuos para producir
biogs.
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Fig 6.9 Ejemplo de un digestor anaerbico para conversin de estircol animal en
biogs. El gas recogido a baja presin se utiliza para cocinar y para calefaccin en
pases como India y China.
En la figura 6.9 se muestra un diseo tpico. El digestor funciona a temperatura
ambiente, lo cual es perfecto en muchas partes de India y China en verano, pero en
invierno en zonas con bajas temperaturas la produccin de gas se ve reducida en gran
manera. En estos sistemas el 90% del gas se utiliza para cocinar y para iluminacin. Las
velocidades de carga estn alrededor de 10 Kg de estircol de ganado por metro
cubico por da produciendo gas a 0.15m3/d por metro cubico de volumen de tanque.
Otra fuente de biogs son los vertederos que producen una mezcla de CO2 y CH4. En el
Reino Unido una gran proporcin del residuo domestico se deposita en vertederos.
Aunque el contenido de un vertedero es muy variado, las condiciones son anaerbicas
y con una concentracin suficiente de material orgnico se puede producir biogs.
6.6 ACEITES
Uno de los problemas del desarrollo de combustible a partir de fuentes
renovables es la obtencin de un combustible lquido capaz de reemplazar a la
gasolina y el gasleo en los vehculos de motor. El primer motor de Rudolf disel
funciono por primera vez el 10 de agosto de 1893 y la patente solicitada sugera que el
combustible poda ser bien carbn pulverizado o un combustible derivado del
petrleo. Tambin utiliz aceite de cacahuate y ms adelante se emple aceite de
ricino. Por esto la utilizacin de un aceite derivado de una planta en un motor de
combustin interna no es algo nuevo y posiblemente estos motores no se
desarrollaron debido a la disponibilidad de combustibles baratos derivados de
petrleo. Los combustibles obtenidos de plantas tienen la ventaja de que producen
poco dixido de azufre en la combustin y de que son fcilmente biodegradable. Los
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aceites vegetales se extraen normalmente de las semillas de plantas que utilizan aceite
en lugar de almidn para almacenar la energa necesaria para el desarrollo de la
plntula. El aceite de semilla se extraer de una gran variedad de cosechas que se
pueden cultivar en la mayora de climas y lugares. En la tabla 6.9 se proporciona una
lista donde es obvio que las cosechas perennes dan un rendimiento ms alto. A pesar
de este hecho, las cosechas anuales tales como la colza y la soja han provocado un
mayor inters probablemente porque ya existe un mercado para su aceite.
Tabla 6.9 Rendimiento en aceite de los cultivos oleaginosos
planta Rendimiento aproximado (Kg/ha/ao)
perennes
Elaeis guineensis (aceite de palma) 3000 - 5000
cocos nucifera (coco) 800
orbignya spp (palma de babassu) 1100
Sapium sebiferium (eucalipto microcorys) 300
jatropha curcas (nuez medicinal) 200 - 800
anuales
Helianthus annuus (girasol) 600 - 750
Arachis hipogaea (cacahuete) 1350 - 1700
Glycine max (soja) 442
Brassica napus (colza) 640 - 1388
Cuphea spp. 288 - 720
Salicornia bigelovii 600
Fuente : shay, 1993
Fig 6.10 formacin de biogs por transesterificacin de aceite vegetal para dar esteres y glicerol
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Los principales problemas de la utilizacin de aceites sin modificar en los motores
disel son los residuos tales como ceras y gomas que taponean los conductos, la alta
viscosidad causa una mala atomizacin u por lo tanto una mala combustin y la
polimerizacin de los componentes insaturados en la cmara de combustin causa
deposicin en los cilindros. Por lo tanto, a menos que se utilicen aceites filtrados y
desgomados, se requiere algn tipo de modificacin del aceite.
Hay 4 mtodos para modificar los aceites vegetales: mezclado, micro emulsin,
pirolisis y transesterificacion. Los aceites vegetales pueden mezclarse con gasleo para
dar una mezcla conteniendo un 20% de aceite vegetal que puede utilizarse en motores
no modificados. Esto es barato y permite la utilizacin de aceites sin modificar pero al
almacenarlos, los dos componentes se separan. En la micro emulsin se mezcla el
gasleo con alcoholes de cadena corta y surfactantes. Las mezclas de metanol y
triolena dan buenos resultados, pero econmicamente el proceso no es satisfactorio.
La pirolisis es un proceso de calentamiento (300-500C) en que se rompe la estructura
de los triglicridos. El aceite de soja tratado de esta forma da un aceite con
propiedades similares al gasleo. Sin embargo los rendimientos de la pirolisis son bajos
y las condiciones caras, lo que hace difcil que se adopte este sistema. La
transesterificacion de los aceites vegetales con metanol o etanol en presencia de un
catalizador acido da lugar a esteres de cidos grasos y glicerol (fig. 6.10). El aceite de
soja y particularmente de colza dan lugar a aceites con propiedades similares al
gasleo (Tabla 6.10).
Tabla 6.10 Propiedades del Biogasleo
propiedades biogasleo Gasleo de automocin Gasleo de calefaccin
Densidad 0.88 0.83 - 0.86 0.83 - 0.86
Valor calorfico (MJ/L) 33.2 35.3 - 36.3 35.3 - 36.3
Viscosidad (cSt) 7.2 9.5 7.5
Temperatura de
inflamabilidad (C) 185 55 55 - 120
Fuente: staat and vallet, 1994.
Arboles como Eucalypthus globus, Pittosporum resiniferum y Copaifera multijuga
producen aceites a menudo en el fruto, pero en el rbol brasileo Copaifera multijuga
se puede extraer aceite del tronco y utilizarlo directamente como un sustituto del
gasleo. Los aceites contenidos de plantan tienen ventaja sobre el etanol de que
tienen un valor energtico superior, similar al del gasleo y la gasolina (tabla 6.11),
adems de otras ventajas:
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Tecnologas Limpias
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Reduccin de la utilizacin de combustibles fsiles
Lquidos
Alta viscosidad a bajas temperaturas
Bajo contenido de azufre
Naturaleza oxigenada, lo que significa baja formacin de NOx
Neutros en cuanto a produccin de CO2
Contenido energtico mayor que el etanol
Biodegradabilidad
Tabla 6.11 Contenido energtico de aceites vegetales, algas y combustible derivado de petrleo
Combustible contenido energtico (MJ/Kg)
Gasolina 47.3
Gasleo 43
Petrleo crudo 42.3
Etanol 29.4
Metanol 22.4
Aceite de colza 39.5
Aceite de ricino 37
Aceite de girasol 36.9
Aceite de Euphorbia 39.3
Chlorella vulgaris 28
Gran parte del desarrollo se ha concentrado en el aceite de colza ya que este cultivo
crece fcilmente en Europa y Amrica del Norte. El aceite de colza transesterificado se
utiliza hoy en autobuses en el Reino Unido y Europa. En la actualidad el precio de los
aceites vegetales no puede competir con el gasleo, ya que el mejor rendimiento es el
del aceite de palma con 3.4 toneladas/hectrea y el de colza con un rendimiento de
biomasa de 2-3 toneladas/hectrea y un rendimiento en aceite de 0.4
toneladas/hectreas.
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La acumulacin de lpidos de almacenamiento tambin ocurre a altos niveles en un
nmero limitado de microorganismos, principalmente algas y levaduras bajo
condiciones especficas. Las algas tienen la ventaja de que no requieren un sustrato
para su crecimiento y de que fijan CO2 siendo neutras en cuanto a emisin de CO2 en
la combustin.
Las micro algas pueden acumular un 75% de peso seco en lpidos (tabla 6.12), a
menudo bajo condiciones de privacin de nitrgeno, lo que tambin se ha demostrado
que estimula la acumulacin de lpidos en levaduras.
Los triglicridos no pueden ser utilizados directamente como combustible pero pueden
ser transesterificados para dar esteres de bajo punto de fusin (fig. 6.10) o ser
convertidos catalticamente en hidrocarburos que pueden utilizarse como sustituto de
la gasolina.
Tabla 6.12 Contenido de lpidos de algunas algas.
Especie Contenido mximo de lpido (% en peso)
Monalanthus salina 72
Botryococcus braunii 53 - 75
Dunaliella primolecta 54
Dunaliella bardawil (salina) 47
Navicula pelliculsa 45
Radipsphaera negevensis 43
Biddulphia aurita 40
Chlorella vulgaris 40 - 58
Nizschia palea 40
Ochromonas dannica 39 - 71
Chlorella pyrenoidosa 36
Peridinium cinctum 36
Neochloris oleabundans 35 - 54
Oocystis polyniorpha 35
Chrysochromulina spp. 33 - 48
Phaeodactylum tricornutum 31
Stichococcus bacillaris 32
Fuente: Kosaric and Velikonja, 1995; Scragg and Leathers, 1998.
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6.7. ETANOL
La capacidad de los microrganismos para producir alcohol a partir de azucares.
Adems de su uso en la produccin de cerveza, vino y licores, el etanol es ampliamente
utilizado en la industria qumica y ha sido empleado como combustible en motores.
Los motores de gasolina funcionan con mezclas que contienen hasta un 20% de etanol
sin grandes modificaciones.
El uso de etanol como combustible comenz en los aos treinta en los Estados Unidos
donde el etanol producido a partir del maz se utilizaba a un concentracin del 20%
para producir gasohol denominado Agrol.
Caractersticas Etanol Gasolina
Punto de ebullicin (C) 78 35-200
Densidad (kg/L) 0,79 0,74
Energa Total (MJ/Kg) 27,2 44
Calor latente de evaporacin
(MJ/Kg)
855 293
Temperatura de inflamabilidad
(C)
45 13
Octanaje 99 90-100
PRODUCCION DE ETANOL EN LOS ESTADOS UNIDOS
La principal fuente de material renovable disponible en los Estados Unidos para la
fermentacin era almidn extrado del maz y de otros cultivos (sorgo, mandioca,
cebada) y quizs residuos como las melazas de caa de azcar o de ctricos.
El maz normalmente se muele hmedo para dar no solo almidn sino aceite, gluten y
material rico en protenas.
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El principal organismo utilizado en la fermentacin es Saccharomyces Cerevisiae, que
aunque es efectivo en la produccin de etanol est limitado en cuento a los sustratos
que puede utilizar (ver tabla) .
Saccharomyces Cerevisiae no puede utilizar almidn o celulosa, por lo cual si se van
utilizar estos sustratos, se requiere algn tipo de precalentamiento.
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Saccharomyces cerevisiae, convierte la glucosa en etanol a travs de la uta de la
gluclisis que produce piruvato, este se convierte en acetaldehdo con la liberacin de
dixido de carbonoy este en etanol
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2
LEVADURAS SUSTRATOS
Saccharomyces Cerevisiae Glucosa, fructosa, galactosa, maltosa,
maltotriosa, xilulasa
S. carlsbergensis Glucosa, fructosa, galactosa, maltosa,
maltotriosa, xilulasa
Kluyveromyces fragilis Glucosa, galactosa, lactosa
Candida tropicalis Glucosa, xilosa, xilulosa
BACTERIAS
Zymomonas mobilis Glucosa, fructosa, sacarosa
Clostridium thermocellum Glucosa,celobiosa,celulosa
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El rendimiento terico de etanol segn la ecuacin es del 51% de la glucosa, pero
parte del ATP formado en la gluclisis se utilizado para el crecimiento celular, lo cual
reduce el rendimiento a un 86 % del mximo. Se ha obtenido rendimientos de un 90%
y mas. El incremento en el rendimiento es debido al uso de ATP para el mantenimiento
celular, que aumenta al aumentar el contenido en etanol del medio, a expensas del
crecimiento celular. Ello permite la conversin de ms azcar en etanol.
El fermentador funciona a 30-35 C durante 42-72 horas hasta que se obtiene una
concentracin final de etanol del 8-12% .Este tipo de funcionamiento del biorreactor
se denomina discontinuo, pero existen otros modos de funcionamiento de un
biorreactor:
Discontinuo
Continuo
Continuo multi-tanque
El mtodo tradicional de crecimiento microbiano es el cultivo discontinuo en que el
medio es inoculado con el organismo y el crecimiento tiene lugar durante un periodo
de tiempo determinado.
SISTEMA PRODUCCIN DE ETANOL (gr/L*h)
Continuo, con reciclado por vaco 80
Continuo, con reciclado 40
Discontinuo, con reciclado 15
Continuo, multi-etapa 12
Continuo 5
Discontinuo 2
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En el cultivo discontinuo la composicin del medio cambia continuamente y por lo
tanto no es posible un crecimiento de persistente. El cultivo continuo es un sistema
para el crecimiento de microorganismos que es mantenido a una tasa estable de
crecimiento mediante la eliminacin continua de medio y su reposicin con medio
fresco.
D: Velocidad de dilucin
F: Flujo del medio nuevo
V: Volumen del tanque
PRODUCCIN DE ETANOL EN BRASIL
Las razones para el desarrollo del etanol como combustible en Brasil:
Reducir las importaciones de petrleo, porque Brasil carece de campos
petrolferos, por la apertura de reas para su cultivo, etc
Brasil es uno de los ms grandes productores de azcar.
La caa de azcar posee una de los ms altos rendimientos como cosecha para
la produccin de biocombustibles.
Empez en 1975 y para 1984-85 aproximadamente el 95 % de los coches
funcionaban con etanol o gasohol, en 1990 descendi hasta un 50% debido a la
presin ejercida por el bajo precio del petrleo.
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ECONOMA DE LA PRODUCCIN DE ETANOL
Se ha calculado que con el maz la energa necesaria para su cultivo es
aproximadamente un 30% de la energa contenida en el cultivo en s.
2700 kg. de maz son requeridos para producir 1000 L de etanol, lo que
representa un aporte de energa de 3259 kcal.
14000 kg de caa de azcar se requieren para producir 1000 L de etanol, lo cual
representa un aporte de energa de 1945 kcal.
DESARROLLOS FUTUROS:
Para reemplazar Saccharomyces cerevisiae, los microorganismos necesitarn que
posean las siguientes caractersticas:
Capacidad de fermentar una amplia variedad de carbohidratos con rapidez
Tolerancia al etanol y capacidad de producir altos niveles de etanol
Bajos niveles de subproductos
Osmotolerancia, capacidad de utilizar altas concentraciones de azcares
Alta viabilidad celular para el reciclado
Caractersticas de floculacin y sedimentacin para el procesamiento posterior
y el reciclado.
Entrada Maz (103 kcal) Caa de azcar (103
kcal)
Maz 3259 -
Caa de azcar - 1945
Bagazo - 7600
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Zymomonas mobilis es una bacteria Gram-negativa, que ha sido aislada en la
fermentacin de materiales azucarados.
Crece ms rpido que Saccharomyces cerevisiae y produce etanol ms
rpidamente, pero al igual que las levaduras, crece slo en un nmero limitado
de azcares.
Zymomonas mobilis puede tolerar concentraciones altas de azcar y una
concentracin de etanol ms alta, pero no ha reemplazado las levaduras.
Zymomonas mobilis metaboliza la glucosa por la ruta de Enter-Doudoroff que
produce dos moles de NADH y solamente un mol de ATP. Sin embargo cuando
se metaboliza a fructuosa y la sacarosa los productos formados son diferentes.
La fructuosa forma Sorbitol y Manitol, la glucosa forma Sorbitol,
dihidroxiacetona y glicerol.
En presencia de la sacarosa, Zymomonas mobilis forma levanos, polmeros de
azcar de alto peso molecular.
Zymomonas mobilis tiene muchas de las caractersticas necesarias para la
produccin de etanol, no puede ser utilizada ya que produce niveles
inaceptablemente altos de subproductos.
La conversin directa de celulosa a etanol sera un proceso mucho ms barato,
existen tres cepas de Clostridium: C. thermocellum, C. thermosaccharolyticum y
C. thermohydrosulfuricum, son bacterias termfilas anaerbicas Gram-
positivas, capaces de degradar celulosa a etanol, pero antes se realiza un pre-
tratamiento.
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6.8 PRODUCCIN DE HIDROGENO
El hidrogeno es un combustible ideal, ya que el nico producto de combustin es el
agua, hacindolo un combustible muy limpio.
El hidrogeno puede ser utilizado como combustible de automocin y como
combustible para la generacin de electricidad, el hidrogeno puede ser producido
mediante sistemas fotovoltaicos y otros sistemas generadores de energa por
electrolisis del agua o mediante sistemas biolgicos.
La cianobacterias verde azulada Anabena cylindrica es capaz de producir hidrogeno in
vivo. La produccin biolgica de hidrogeno puede ocurrir en la luz, utilizando la
energa de la radiacin solar o en la oscuridad, utilizando la energa almacenada
durante la fotosntesis.
1. Fotolisis directa:
O2
2. Heterocistos de cianobacterias fijadoras de nitrgeno.
Reciclado
O2 CO2 CO2
Hidrogenasa
H2
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3. Fotolisis indirecta:
Reciclado
O2 CO2 CO2
Ferredoxina
Nitrogenasa
ATP H2
4. Fotofermentacion,bacterias fotosintticas
5. Reaccin de sustitucin
6. Fermentacin en la oscuridad
La fotosntesis implica la absorcin de luz por los complejos colectores del fotosistema
II que se utiliza para romper la molcula de agua produciendo oxgeno.
El fotosistema I genera el poder reductor para reducir el dixido de carbono. En las
plantas verdes solo se reduce el dixido de carbono, pero en algunas microalgas
(eucariotas y procariotas) la enzima hidrogenaza se encuentra presente y en algunas
condiciones puede producir hidrogeno.
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O2
H2O Fotosistema II
Fotosistema I O2
Ferredoxina inhibicin
Hidrogenasa
H2
El problema de la inhibicin de la hidrogenasa por el oxgeno se soluciona en algunas
bacteria como Anabena cylindrica, en que las reacciones se encuentran
compartimelizadas (6.16.)
La rotura de agua se da en las clulas vegetativas y el dixido de carbono se fija en los
heterocistos que contienen la enzima nitrogenasa, que en ausencia de nitrgeno
produce hidrogeno, y la gruesa pared del heterocisto reduce la difusin del oxgeno al
interior de la clula retrasando as la inhibicin.
Otro proceso es utilizar organismos en que la luz se emplea para convertir compuestos
orgnicos en hidrogeno por degradacin anaerbica de los compuestos orgnicos.
Otro proceso posible es la posible es la produccin de hidrogeno a partir de monxido
de carbono y agua por las bacterias fotosintticas en la oscuridad.
Los sistemas fotovoltaicos para formacin de hidrogeno han mejorado su eficiencia
hasta un 10%.Las plantas superiores convierten la radiacin solar con una eficiencia de
aproximadamente un 1% pero las microalgas pueden alcanzar eficiencias de hasta el
10%.Otra restriccin de la fotosntesis es que las plantas superiores como las
microalgas pueden convertir solamente un 10-20% de la luz.
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Una posibilidad es un proceso en dos etapas:
Fijacin fotosinttica de dixido de carbono, la cual se realiza la produccin anaerbica
de hidrogeno en la oscuridad.
Una desventaja es La conversin del material almacenado tiene una eficiencia de un
10-25% pero podra ser mejorada mediante incubacin en la luz en condiciones
anaerbicas, lo cual maximiza la formacin de hidrogeno.
FUENTE ESTIMACION
Radiacin solar 1.000
Viento 10
Mareas 0.1
Olas 0.5
Energa geotrmica 30
Biomasa 450 TW aos
Calor geotrmico almacenado >50 TW aos
FUENTE DE ENRGIA
COMBUSTIBLES FOSILES
PRECIO MINIMO RANGO
GAS 2.2 2.8
CARBON 1.8 3.8
CARBON LIMPIO 4.4 5.6
ENERGIA NUCLEAR 2.2 5.5
RENOBABLES
HIDROELECTRICA 1.8 2.8
EOLICA 2.5 6.2
GEOTERMICA 3.0 5.2
COMBUSTION DE RESIDUOS 2.5 4.2
GAS DE VERTEDEROS 2.6 5.0
BIOMASA MODERNA 5.5 5.8
OLAS 10
SOLAR 10
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6.9. CONCLUSIONES
Se necesita son fuentes de energa para la generacin de electricidad y un
combustible lquido para la automocin.
Combustibles que reduzcan o eliminen la emisin de gases de efecto
invernadero y de otros contaminantes atmosfricos.
Las fuentes no biolgicas como la energa nuclear, geotrmica, hidroelctrica y
elica estn ya en utilizacin, estos son recursos limpios, renovables y
duraderos pero tienen un impacto medioambiental y en el caso de la energa
nuclear un problema con la eliminacin de residuos y cierre definitivo de las
centrales.
El potencial de las fuentes de energa renovables es difcil de calcular ,pero se
han realizado estimaciones aproximadas:
Las fuentes biolgicas de energa son tambin muy diversas y pueden
proporcionar combustibles lquidos.
La biomasa es una fuente de combustible para generar electricidad y
calefaccin.
Las plantas y microorganismos pueden utilizarse para producir combustibles
lquidos como aceites, etanol, butanodiol y butanol.
El coste de produccin de energa a partir de la biomasa depende de los costes
agrcolas y forestales, los costes de trabajo, la escala de produccin y el tipo de
operacin del proceso.
Los aceites de vegetales transesterificados han tenido xito en la sustitucin del
gasleo en Europa, Estados Unidos y Brasil, estos combustibles sern utilizados
solo si pueden competir en precio:
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El gas y el petrleo son baratos al compararlos con los combustibles
renovables, excluyendo la energa hidroelctrica.
Las mejoras en la eficiencia de los procesos situaran los costes de los
combustibles renovables en el mismo rango que los combustibles fsiles.
En la actualidad el uso de los combustibles no fsiles est progresando
lentamente debido a los bajos precios del petrleo y el gas, pero los
combustibles no fsiles presentan ventajas como fuente de energa:
Diversidad de origen y forma.
Limpios, completa o considerable reduccin de las emisiones.
Neutros en cuanto a dixido de carbono para disminuir el calentamiento global.
Renovable y bsicamente inagotables.
Ventajosos en la reduccin y el reciclaje de residuos.