222

18. BIOETANOL

En el escenario de una crisis energética mundial se ha incrementado el inte-rés por desarrollar investigaciones que permitan contar con nuevos combustibles. En ese contexto, la importante presencia de biomasa vegetal en Chile constitu-ye una atractiva materia prima para la elaboración del etanol, el cual cuando se obtiene a partir de biomasa se le denomina bioetanol, combustible que puede ser utilizado puro o como aditivo oxigenado de gasolinas.

El creciente interés por el desarrollo de combustibles renovables y amigables con el medio ambiente, como el bioetanol, encuentra su origen en la convergen-cia de tres grandes preocupaciones: el calentamiento global, los elevados precios del petróleo y las bajas rentas de los agricultores en todo el mundo.

El bioetanol es un alcohol producido a partir de maíz, sorgo, papas, trigo, caña de azúcar e incluso de la biomasa, como los tallos de maíz, residuos vege-tales agrícolas y forestales. De esta manera, se habla de bioetanol de primera generación (se aprovecha el azúcar de los frutos de la planta, es decir, la parte comestible, que es la más escasa) y bioetanol de segunda generación (hay un tratamiento a la planta completa, especialmente residuos agrícolas y forestales).

Éste puede ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero y a aminorar los efectos de la disminución y eventual agotamiento de las reservas de petróleo y gas natural. Además, la producción de energía renovable puede au-mentar la seguridad en el aprovisionamiento de energía, reducir la dependencia de las reservas petroleras de Medio Oriente y mantener la calidad y estándares de vida.

El problema es complejo por cuanto al menos el 70% de todas las cosas que produce el hombre provienen del petróleo y sus derivados. De modo que el petró-leo no es solamente gasolina y diesel, sino que está asociado al gran desarrollo que el hombre ha tenido en el último tiempo.

En materia legislativa, el uso de bioetanol en un 10% en la gasolina es actualmente obligatorio en 27 Estados de USA y al año 2014 será obligatorio en todo el país. En la Unión Europea, a fines del 2005, se obligó el uso de bioetanol en un 2% incrementándose a un 5,75% al año 2010. Por otra parte, en Brasil, su uso es obligatorio en más de un 20% de la gasolina.

Chile no tiene ventaja competitiva en la producción de granos, sin embargo, podría competir en la producción agrícola para energía. Con esto se abre una oportunidad de reducir los enfrentamientos y las crisis comerciales entre países agrícolas y países proteccionistas de su producción agrícola.

18.1 Proceso

La biomasa debe someterse a una serie de tratamientos antes de usarse, siguiendo un ciclo general que puede ser esquematizado como se presenta en la figura 18.1.

223

Los biocombustibles líquidos, como ya se indicó, son compuestos de la quí-mica orgánica producidos a partir de materia vegetal como: plantas herbáceas, oleaginosas y leñosas. Además, residuos agroforestales, residenciales, comer-ciales e industriales. Entre estos últimos, por ejemplo, aceites comestibles que ya cumplieron su ciclo de uso; los subproductos o residuos grasos y aceitosos de la industria alimenticia y ganadera (figura 18.2).

La conversión de este tipo de biomasa a biocombustibles, también puede describirse como se observa en la figura 18.3.

Figura 18.1. Ciclo de tratamiento de las biomasas.

Esquema 18.2. Proceso general de producción de bioetanol con diferentes tipos de biomasa.

224

18.1.1 Sistema de producción de etanol a partir del maíz

Para la producción de bioetanol a partir del maíz se utilizan dos métodos: molienda seca y molienda húmeda. Ambos procesos incluyen los mismos pasos, diferenciándose en la preparación del grano para la molienda. La elección de uno u otro sistema de producción depende del nivel de inversión y de la obtención de coproductos.

Del proceso de molienda seca, además de etanol, se obtiene dióxido de car-bono, y grano destilado seco y soluble (DDGS) que es un alimento de alta calidad para el ganado, ya que contiene un alto contenido de proteínas, grasas e hidratos de carbono (ver figura 18.3). Este proceso requiere de una inversión inicial menor.

Del proceso de molienda húmeda, junto con el etanol se obtienen aceite de maíz, germen, gluten y harina. Sin embargo, requiere de una mayor inversión y es menos usado.

La molienda seca es un proceso de producción que extrae el almidón conte-nido en el maíz. Es ampliamente aceptado en la industria de etanol, puesto que, comparativamente con el método de molienda húmeda, tiene menores requeri-mientos de capital tanto para construir como para operar la planta.

Los ocho pasos principales en la producción de bioetanol bajo este proceso son los siguientes:

Molienda. El proceso comienza con la limpieza del grano de maíz, que ya limpio pasa a través de los molinos que lo convierten en un polvo fino: harina de maíz.

Licuefacción. La harina de maíz se sopla en grandes tanques donde se mezcla con agua y enzimas (alfa amilasa). Luego, pasa a través de las cocinas donde se licúa el almidón. A la mezcla se agregan componentes químicos para mantenerla con un pH adecuado. En esta etapa se aplica calor para la licuefacción, en una

Figura 18.3. Diagrama conversión biomasa vegetal en biocombustible.

225

primera etapa a alta temperatura (120-150 ºC), y luego a temperatura más baja (95 ºC). Estas altas temperaturas reducen los niveles de las bacterias existentes en el puré o mosto.

Sacarificación. El puré de las cocinas es luego enfriado a una temperatura leve-mente bajo el punto de ebullición del agua y se le entrega una segunda enzima (gluco amilasa) para convertir el almidón licuado en azúcar fermentable (dextrosa).

Fermentación. La fermentación se realiza en ausencia de oxígeno. Al puré se agrega levadura para fermentar los azúcares y con ello obtener etanol y CO2. Usando un proceso continuo, el puré fluye a través de varios fermentadores hasta completar el proceso.

Destilación. El puré fermentado contiene cerca del 12% de alcohol, así como todos los sólidos no fermentables del maíz y de la levadura. El puré es bombeado de un flujo continuo a una columna de destilación, donde la cerveza hierve, sepa-rándose el alcohol etílico de los sólidos y del agua. El alcohol deja la columna de destilación con una pureza del 95% aproximadamente y el puré de residuo, llama-do “stillage”, es transferido desde la base de la columna para su procesamiento como coproducto.

Deshidratación. La destilación da lugar a una mezcla de un máximo de 96% de etanol y de 4% de agua. Esto se conoce como mezcla azeotrópica. El 4% de agua se quita de la mezcla azeotrópica con óxido de calcio o mezclándose con benceno obteniéndose etanol anhidro (sin agua). Ambos procesos aumentan el costo energético de producción y el benceno es altamente tóxico y cancerígeno. Las nuevas técnicas de purificación implican el uso de las zeolitas, que con su estructura pueden absorber y quitar el agua de la mezcla final. Los poros de la zeolita son más grandes que una molécula de agua y considera-blemente más pequeños que una molécula de etanol, esto se conoce como tamiz molecular. Obteniéndose considerables ahorros de energía y evitando el uso de sustancias tóxicas.

Desnaturalizado. El etanol que será usado para combustible se debe desnatura-lizar agregando un 5% de gasolina, para hacerlo no apto para el consumo huma-no y evitar el pago de impuesto a los alcoholes.

Coproductos. Hay dos coproductos principales en el proceso de producción de etanol: el dióxido de carbono y los granos destilados secos con solubles (DDGS). El dióxido de carbono se obtiene en grandes cantidades durante la fermentación. Se recoge, se limpia de cualquier alcohol residual, se comprime y vende para ser usado como gasificante de bebidas gaseosas o para congelar, en forma de hielo seco.

Los granos destilados secos solubles (DDGS) se obtienen del “stillage”, el que se centrifuga para separar los sólidos suspendidos. Los sólidos disueltos se concentran con un evaporador y después se envían a un sistema de secado para reducir el contenido de agua a aproximadamente 12%. Se concentra el aceite, proteína y nutrientes del maíz original constituyendo aproximadamente un tercio del peso del maíz usado en el proceso.

Debido a la fermentación, los aminoácidos, grasas, minerales y vitaminas restantes aumentan aproximadamente al triple en el concentrado, comparado con los niveles encontrados en maíz.

226

Finalmente, de una tonelada de maíz se producen 409,84 litros de bioetanol; 321,44 kg de DDGS y 321,44 kg de CO2 (figura 18.4).

Se entiende por Balance Energético (BE) a la diferencia entre el gasto de energía para producir una determinada cantidad de un producto y la energía que el producto puede generar. Cuando este balance es positivo (la energía que genera el producto es superior a la energía que se necesita para producirlo) hay una Ganancia Neta de Energía (GNE). Frecuentemente la GNE se expresa como un porcentaje de la entrada de energía en el sistema o como una relación entre la energía de entrada y salida.

El bioetanol se puede extraer de diversos productos agrícolas ricos en azúcar (remolacha, caña de azúcar), ricos en almidón (maíz, trigo, papas) o ricos en celulosa, hemicelulosa y lignina (paja, rastrojos de cosecha y residuos de la explotación agrícola y forestal).

Estudios de balance energético han mostrado que la energía que contiene el bioetanol y los coproductos de maíz es mayor que la energía que se gasta en el proceso de producción agrícola e industrial para obtenerlos. No hay estudios en Chile del BE de alcoholes provenientes de productos agrícolas, por lo que en este trabajo se mencionan antecedentes para bioetanol de maíz y caña de azúcar.

En la metodología para determinar el gasto o entradas de energía, se conta-biliza la cantidad de energía que se gasta en la fabricación de los insumos, más la energía que se consume en el proceso de producción agrícola e industrial. El

Figura 18.4. Diagrama producción bioetanol a partir de maíz.

227

cuadro 18.1 muestra el balance energético de producción agrícola e industrial para la obtención de etanol a partir de maíz.

Cuadro 18.1. Balance energético del bioetanol de maíz.

Con respecto al balance energético de la producción de etanol con maíz, se puede concluir lo siguiente:

Insumos agrícolas. La energía que se consume en el cultivo de maíz es de 7.775 BTU/Litro de etanol (38,9% del total de la energía que utiliza el proceso de producción agrícola e industrial). En fertilizantes se usan 3.910 BTU/Litro de etanol. El gasto de energía correspondiente a fertilizante nitrogenado (142,4 kg N/ha) es de 3.474 BTU/Litro de etanol. En el caso de combustibles fósiles la entrada de energía es de 844,3 BTU por litro de etanol, equivalente al 10,8% de la ener-gía usada en la producción de maíz y corresponde a 62,3 litros de combustible por hectárea.

Insumos industriales. La producción industrial promedio de bioetanol usa 12.254 BTU/Litro de etanol, lo que representa el 61,1% de la energía utilizada en todo el proceso, incluyendo la producción agrícola e industrial. El mayor consumo de energía en esta fase corresponde al procesamiento industrial desde la fermen-

ÍtemENTRADAS DE ENERGIA (input)Insumos agrícolas Fertilizantes Pesticidas Combustibles Otros insumos Subtotal

Insumos Industriales Procesamiento Electricidad Transporte Otros procesos Subtotal

TOTAL ENTRADAS (input)

SALIDAS DE ENERGIA (Output) Energía del etanol Energía de coproductos

TOTAL SALIDAS (Output)VALOR NETO DE ENERGIAGANANCIA NETA DE ENERGIA

BTU*/Litro de bioetanol

3.910189844

2.8327.775

10.1721.347351383

12.253

20.028

20.0796.592

26.6716.64333%

Nota: *BTU: British Thermal Unit. Unidad de medida internacional que expresa unida-des de energía. 1 BTU = 0,0003929 caballos de fuerza/hora = 0,7457 kilowatt/hora. Fuente: Acevedo (2006).

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tación y destilación hasta la obtención de bioetanol. La cantidad de energía utili-zada alcanza a 10.172 BTU/Litro de etanol, equivalente al 83% de toda la energía que se gasta en el proceso industrial.

Balance energético (BE) y ganancia neta de energía (GNE). Al comparar las entradas de 20.028 BTU/Litro de bioetanol con las salidas de 26.671, que contie-ne el alcohol más los co-productos, el BE es positivo. De esta manera se obtiene una GNE de 6.642 BTU/Litro de etanol que representa un 33% de ganancia.

18.1.2 Producción de etanol a partir de papa

Dentro de los cultivos con posibilidades bioenergéticas está la papa. Este cultivo, sin embargo, en Chile ha quedado relegado a un segundo plano en biocombustibles debido a que, como muchos otros, no cuenta con variedades de alta eficiencia y a que sólo se utilizan sus residuos o excedentes de muy baja eficiencia de conversión.

Es justamente ante este panorama que se ha presentado el proyecto al fondo de Innova CORFO, denominado “Variedades de papa eficientes en la obtención de etanol: un aporte al desarrollo bioenergético de Chile”. La idea del proyecto es crear una variedad de papa, vía mejoramiento tradicional, que reúna tres condiciones principales: tener sobre 30% de materia seca, un porcentaje de almidón que supere el 28% y un rendimiento por hectárea que esté por sobre las 50 toneladas. A ello se puede agregar el que presente glicoalcaloides para que su uso sea sólo en la producción de bioetanol.

Un producto con estas características permitirá que en el proceso industrial se consiga sobre 130 litros de etanol por tonelada de producto bruto. Se tratará de un cultivo ‘rústico’ en cuya producción habrá un bajo costo energético asocia-do, resistente a las plagas y las inclemencias del tiempo y que demandará menos agroquímicos (figura 18.5).

Figura 18.5. Características que debe poseer una variedad de papa para la producción de bioetanol.

Normalmente llegar a una nueva variedad de papa toma alrededor de 15 años. La mayor parte del tiempo se invierte en la evaluación y selección, ya que una vez logrado el cruzamiento del material parental apropiado, los caracteres se

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fijan inmediatamente y éstas se perpetúan por reproducción vegetativa, es decir, a partir del propio tubérculo. Esto produce plantas iguales a la madre, sin varia-ción. El proyecto plantea un tiempo de seis años en el proceso, trabajando con grandes poblaciones el año redondo y con la ayuda de invernaderos en la esta-ción fría.

Paralelo a este trabajo se optimizaran los bioprocesos para la producción de bioetanol a partir de papa.

En cuanto a potencial superficie de suelos, para el cultivo y que no compita con papas para alimentación, entre la región de La Araucanía y la de Los Lagos, existen áreas suficientes para crecer sobre las 20.000 hectáreas y tanto los culti-vos intensivos como extensivos (praderas) no se resentirán en absoluto.

18.1.3 Producción de etanol a partir de pino insigne

El uso de la madera de pino insigne como materia prima es una opción para producir etanol investigado a raíz de la primera crisis del petróleo en la década de los 70’ en Nueva Zelanda y que hoy cobra relevancia. Consiste en dos fases: primero se rompe los polímeros de azúcar presentes en la madera mediante hidrólisis y luego ésta se fermenta.

La fase de hidrólisis consisten en la aplicación de agua caliente (190 ºC) a presión sobre una carga de chips de madera o aserrín en un reactor cerrado, agregando ácido sulfúrico al 0,5% como catalizador para romper los carbohidra-tos en sus componentes azucarados: hexosa y pentosa. La percolación permite rescatar las soluciones azucaradas por una parte y separar la lignina en el fondo del reactor hacia el final del proceso.

La solución de azúcar es enfriada en un estanque a baja presión, liberando vapor con materiales volátiles, furfural y metanol, precipitando alquitrán en el fon-do. El licor azucarado restante es enfriado a 30 ºC. El ácido sulfúrico es removido agregando cal. El yeso resultante puede ser filtrado.

La fase de fermentación comienza bombeando el licor azucarado en un reci-piente de fermentación agregando levadura, convirtiendo el azúcar en etanol. El proceso finaliza con la destilación del etanol diluido desde concentraciones de 3% hasta alcanzar 95%.

Los subproductos del proceso de producción de etanol son utilizables: la lig-nina y el alquitrán se pueden quemar en calderas autoabasteciendo energía para todo el proceso. El yeso tiene uso comercial. La pentosa puede ser fermentada para aumentar la producción de levadura y alimento de animales.

La producción de etanol a partir de madera por conversión biológica es una de las tantas posibilidades para la producción de combustible líquido.

La viabilidad económica para producir etanol a partir del pino insigne en Chile a futuro, estará fuertemente controlada por los precios que alcance este producto u otros sustitutos en el mundo. Se estima que a nivel global para el año 2050 la principal fuente de bioenergía provendrá de plantaciones bioenergéticas y marginalmente del aprovechamiento de residuos de cosecha. Para esa fecha los residuos industriales se habrán utilizado completamente.

230

18.1.4 Producción de etanol a partir de paja de trigo

El proceso de producción de bioetanol, usando residuos de cosecha de ce-reales, específicamente paja, es el que se detalla en la figura 18.6.

Además, el científico Lonnie Ingram, del Instituto de Ciencias Alimentarias y Agrícolas de la Universidad de Florida, está convencido de que es posible reducir la dependencia que Estados Unidos y otras naciones tienen del petróleo importa-do y disminuir el precio del combustible de automoción reformulando la gasolina mediante etanol derivado de desperdicios agrícolas baratos.

El desarrollo biotecnológico logrado por este investigador, una bacteria E. Coli obtenida con ingeniería genética, es capaz de convertir en etanol todos los tipos de azúcar encontrados en las paredes de las células de las plantas. El orga-nismo puede producir un alto rendimiento de etanol a partir de biomasa de resi-duos agrícolas y forestales, tales como: tallos de maíz, mazorcas, hojas, restos de caña de azúcar, corteza de arroz, aserrín, viruta, madera y otros materiales orgánicos.

La tecnología de bioconversión está siendo comercializada con la asistencia del Departamento de Energía estadounidense. La compañía BC International Corp. tiene los derechos exclusivos para el uso y licencia de la bacteria indicada.

18.2 Usos

El bioetanol es un líquido claro, descolorido, volátil, con un olor característi-co suave, inflamable, soluble en agua, que hierve a 78 ºC y se congela a -112 ºC. Denominado también alcohol etílico o alcohol de cereal, es un compuesto orgánico cuyo peso molecular es de 46,0684 g, por lo que un litro de etanol pesa 815 gramos.

Figura 18.6. Diagrama producción bioetanol a partir de paja de trigo, en Planta Abengoa Bioenergía, Murcia, España.

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Es un alcohol anticorrosivo, relativamente no tóxico, hecho de materias biológicas renovables, que cuando se quema produce una llama azul pálida sin residuos y entrega una energía considerable.

El bioetanol puede utilizarse como base en bebidas, cervezas, vinos y licores; como aditivo de combustible; como materia prima para varios procesos industriales tales como la fabricación de perfumes, pinturas, lacas y explosivos.

Éste se mezcla con gasolinas para producir un biocombustible de alto poder energético, con características muy similares a la gasolina pero con una impor-tante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión.

El bioetanol puede ser usado puro o en mezclas con gasolina:

• Motores gasolina: vehículos flexibles. Algunos modelos sólo cuestan US$635 más que lo normal, por ejemplo, el Ford Focus. Pueden funcionar con ga-solina al 100% o combinados con Bioetanol. En Europa SAAB y Ford ya lo producen.

• Motores Diesel.

• Futuros sistemas: pilas de combustible.

Básicamente, existen tres maneras en que el etanol puede utilizarse en los combustibles para el transporte, aprovechando su característica oxigenante y antidetonante, con el consiguiente aumento en el número de octanos, mejorando la calidad de las emisiones de la combustión. Éstas son:

• Como aditivo en las gasolinas, en reemplazo de otros aditivos oxigenantes, en una proporción variable desde un 10% a un 24%, sin necesidad de modi-ficar en nada el motor del automóvil.

• Como componente en la fabricación del biocarburante ETBE (Etanol + Isobu-teno, aditivo petroquímico).

• Directamente como combustible, mezclado en cualquier proporción con gaso-lina en motores diseñados para este propósito, denominados flexibles o flex-fuel, que reducen el CO2 entre 39 a 46% comparado con motor a gasolina.

EL Bioetanol ofrece diversas posibilidades de mezclas para la obtención de biocombustibles con los siguientes nombres y propiedades (Olivo, 2007):

E5. El biocombustible E5 es una mezcla del 5% de bioetanol y el 95% de gasolina normal. Esta es la mezcla habitual y mezcla máxima autorizada en la actualidad por la regulación europea; sin embargo, es previsible una modificación de la nor-mativa europea que aumentará este límite al 10% (E10) ya que diferentes estu-dios constatan que los vehículos actuales toleran sin problemas mezclas de hasta el 10% de bioetanol y los beneficios para el medioambiente son significativos.

232

E10. Es una mezcla del 10% de bioetanol y el 90% de gasolina normal. Esta mezcla es la más utilizada en Estados Unidos ya que hasta esta proporción de mezcla los motores de los vehículos no requieren ninguna modificación e incluso produce la elevación de un octano en la gasolina mejorando su resultado y obte-niendo una notable reducción en la emisión de gases contaminantes.

E85. Mezcla de 85% de bioetanol y 15 % de gasolina, utilizada en vehículos con motores especiales. En Estados Unidos las marcas más conocidas ofrecen vehí-culos adaptados a estas mezclas. También se comercializan, en algunos países (Estados Unidos, Brasil, Suecia) los llamados vehículos FFV (Flexible Fuel Vehi-cles) o Vehículos de Combustibles Flexibles con motores adaptados que permiten una variedad de mezclas.

E95 y E100. Mezcla que contiene hasta el 95% y 100% de bioetanol, respectiva-mente, son utilizados en algunos países como Brasil con motores especiales.

E-DIESEL. El bioetanol permite su mezcla con gasoil utilizando un aditivo solven-te y produciendo un biocombustible diesel, el E-Diesel, con muy buenas carac-terísticas en cuanto a combustión y reducción de contaminación ofreciendo así otras alternativas al bioetanol en el campo de los vehículos Diesel. El E-Diesel ya se comercializa con éxito en Estados Unidos y Brasil, pronto hará su aparición en España y Europa.

18.3 Ventajas y Desventajas del Bioetanol

Entre las ventajas, se pueden indicar las siguientes:

• Es un combustible renovable. Por ello, puede llegar a ser un recurso perma-nente si es manejado correctamente.

• Reduce emisiones de gases de efecto invernadero (12 a 26% menos). De-bido a su naturaleza renovable, la utilización de esta fuente de energía no altera el ciclo del carbono, ya que el CO2 emitido es fijado con anterioridad por la fotosíntesis. Un automóvil con bioetanol a partir de celulosa genera el 50% del CO2 que un mismo tipo de automóvil a gasolina.

• Es un combustible líquido y puede ser manejado tan fácilmente como las gasolinas.

• Genera menores emisiones de monóxido de carbono cuando se usa como aditivo de la gasolina (20 a 30% menos). La asociación de recursos reno-vables de Canadá señala que al agregar un 10% de etanol a la gasolina se reducen hasta en un 30% las emisiones de monóxido de carbono y entre 6 y 10% las de dióxido de carbono; asimismo, reduce la formación de ozono.

• Se estima que al reemplazar un litro de gasolina por un litro de bioetanol se reduce la acumulación de CO2 en la atmósfera en un 70% (figura 18.7).

233

• Es menos inflamable que la gasolina, por lo tanto, más seguro. Tiene un índice bajo de toxicidad.

• Durante su combustión se produce un aumento del calor de vaporización que genera una mayor potencia respecto a la gasolina. Esto significa que con motores de pequeña cilindrada se pueden conseguir rendimientos equivalen-tes a motores de gasolina de mayor cilindrada.

• Tiene un octanaje mayor, alrededor de 106 octanos.

• Mejora la eficiencia en el balance del ciclo energético. El bioetanol tiene un balance energético positivo, esto quiere decir que se produce más energía de la que requiere su producción.

• Revitaliza la economía rural y genera empleo al favorecer la puesta en mar-cha de un nuevo sector en el ámbito agrícola. Puede producirse localmente en sistemas sustentables.

• Sirve para revitalizar agricultura no exportadora especialmente cultivos en crisis como maíz, trigo, papas, remolacha, incorporando valor agregado a los productos.

Las desventajas de producir y usar etanol son:

• A causa de que el bioetanol requiere de una transformación previa (fermen-tación y destilación), se libera en el proceso CO2 neto que no es fijado por la planta.

• Se incrementan las emisiones de óxidos de nitrógeno y aldehídos. Es higros-cópico.

Figura 18.7. Ventajas del uso de bioetanol como combustible en vehículos.

234

• Genera emisiones altamente evaporativas.

• Se requiere el uso de alimentos como el maíz o la caña de azúcar para produ-cirlo. Su precio como alimento ha subido, y también el valor de algunos anima-les que se nutren de él, generando preocupación entre los consumidores.

• En el caso del bioetanol de celulosa debe superar un obstáculo no menor: el costo, sobre todo porque la lignocelulosa es difícil de degradar.

18.4 Inversión y Costo de Producción La inversión necesaria para la instalación de una planta de producción de bioeta-nol a partir de maíz, con el sistema de molienda seca depende fundamentalmente de dos factores:

• La capacidad de producción anual de bioetanol proyectada. • Mercado para la comercialización de los coproductos.

La inversión promedio estimada en USA para el año 2004 que demanda la instalación de una nueva planta de producción de bioetanol bajo el sistema de molienda seca, calculada como inversión por litro de capacidad de producción anual instalada, es del orden de 0,37 US$/litro.

En tanto que el costo de producción del bioetanol está definido por el cos-to que pueda tener el insumo a utilizar (maíz), más los costos operativos de la conversión a alcohol; que incluyen el costo de la energía requerida por el pro-ceso, electricidad y gas, enzimas, levaduras, químicos, costos laborales, agua, impuestos y seguro. Por último, la amortización de la inversión en instalaciones y equipos.

Los adelantos tecnológicos en los sistemas de producción, las mejoras en las enzimas y levaduras y la producción de una nueva generación de coproduc-tos han reducido sustancialmente el costo de producción de bioetanol a partir de maíz en USA.

En los últimos diez años se ha pasado de 0,38 U$/litro el año 1994 a tan sólo 0,25 el año 2004. El costo de producción del bioetanol en Europa es mayor, alcanzando a 0,45 US$/litro, debido a que la base de producción es el trigo y la remolacha. El menor costo de producción del bioetanol lo tiene Brasil con 0,18 US$/litro, usando caña de azúcar.

Ejemplo: Proyecto de construcción de una planta de bioetanol.

Para implementar una planta con una capacidad de producción de 40 mi-llones de litros de etanol al año, la inversión necesaria es de 0,45 US$/litro de producción anual. Este valor incluye el costo de construcción de la planta que es de 0,37 US$ más el capital operativo inicial que es de US$ 0,08, lo que totaliza una inversión de 18 millones de dólares.

Considerando una conversión igual a la media de la industria norteameri-cana, de 409,84 litros de bioetanol, 321 kilos de DDGS y 321 kilos de CO2 por tonelada de maíz, el maíz necesario para la planta es de 97.600 toneladas. Para

235

una planta de estas características se requerirían 8.000 hectáreas de maíz, consi-derando un promedio de producción de 12,2 toneladas por hectáreas, que fue el promedio de la región de O’Higgins en la temporada 2004-2005.

El precio del bioetanol obtenido de Chicago Board of Trade (CBT) es de 1,8 US$/ galón (3,78 litros) de etanol anhidro, equivalente a 0,48 US$/litro. El precio del maíz en la cosecha 2004-2005 fue de 140 US$/tonelada.

El precio de los coproductos obtenidos en el proceso de transformación se estimará en 180 US$/tonelada de DDGS (tomando como referencia precios de productos alternativos como el afrecho de soya y el fosfato dicálcico) y 100 US$/tonelada de CO2 valor muy inferior al que se comercializa actualmente en el mer-cado local. El cuadro 18.2 muestra los resultados esperados para esta planta.

Cuadro 18.2. Resultados proyectados para una planta de etanol de 40 millones de litros de capacidad al año.

Ítem

Ingresos por ventasEtanolDDGSCO2

Ingresos Totales

Consumo insumo base maíz

Margen Bruto

Gastos de explotaciónEnergíaTérmica Eléctrica

QuímicosEnzimas LevadurasOtros químicos y antibióticosQuímicos de limpiezaAgua

Otros gastosMantenimiento y reparacionesCosto laboralAdministraciónGastos administrativosLicencia y segurosGastos variosIntereses pagadosContribucionesAmortización de capital

Total gastos de explotaciónCosto total del proceso

Resultado antes del impuestoImpuesto a las ganancias

Resultado neto obtenido

ValorMillones US$

19.205.643.1327.98

13.66

14.32

1.470.59

0.580.260.210.050.06

0.360.250.220.290.040.141.260.101.507.4521.1

6.81.1

5.7Fuente: Bryan & Bryan Inc (BBI).

236

18.5 Producción de Bioetanol de Segunda Generación en Chile

Aunque el bioetanol de celulosa está en una fase inicial, algunos países muestran avances. Mientras en Estados Unidos el tema se estudia y los privados están a la espera de un subsidio que de la partida al negocio, en Canadá ya ope-ran plantas piloto (Acevedo, 2006).

En Nueva Zelandia, país con abundante masa forestal, dos institutos estu-dian la viabilidad de producir bioetanol de celulosa para lograr autosuficiencia energética respecto del petróleo.

En Chile, se cree que es un tema a mediano plazo, ya que la tecnología no estará disponible comercialmente a corto plazo, pero se estima que es la mejor respuesta para dar seguridad de suministro energético a los consumidores sin alterar el precio de alimentos como el maíz o el azúcar (Acevedo, 2006).

Por esto, en Chile, la tecnología para obtener el bioetanol a escala comer-cial de materiales lignocelulósicos o de segunda generación estaría disponible a contar del 2010 a 2015. Las plantas piloto de BTL (biomasa to liquid) tienen un costo de 100 millones de dólares, con una capacidad de producción de 90.000 m3 anuales.

A partir de 2010, estarían disponibles plantas más grandes, de 400 millones de dólares, para una capacidad de producción de 200.000 m3 anuales. La ventaja de estas plantas es que la materia prima, que es forestal, es mucho más barata.

Sin embargo, degradar la madera es difícil, por el alto contenido de lignina que ésta contiene. Por ello, es indispensable recurrir a un tratamiento, lo que aumenta el costo del proceso y en Chile no existe una política destinada a invertir en este trabajo (Acevedo, 2006).

En los últimos años, los mayores esfuerzos se han concentrado en bajar los costos de las enzimas que se necesitan para degradar las materias que com-ponen la lignocelulosa. También se está haciendo investigaciones con hongos productores de enzimas que rompen los enlaces de lignina que dificultan la etapa de hidrólisis enzimática en el ciclo de producción de bioetanol de segunda gene-ración.

Es por lo anterior que algunos expertos creen que Chile debería avanzar en el tema de los biocombustibles de segunda generación a partir de residuos agrí-colas.

En este sentido, la industria del bioetanol en Brasil, con una experiencia de más de 25 años, y la de Estados Unidos, con aproximadamente 15 a 20 años, constituyen fuentes importantes de información, sobre todo en el proceso de pro-ducción industrial y agrícola que facilitará la implantación de una infraestructura para producción de bioetanol en el país.

En un estudio reciente, publicado en Estados Unidos (Ethanol Across Ame-rica, 2004) se señala que el balance energético positivo del bioetanol no es el único beneficio que tiene este aditivo y combustible.

Entre estos beneficios se puede citar el hecho de que los coproductos como la

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torta de maíz son fuente de nutrientes y energía para la alimentación del ganado y de aves. Como estos se originan durante el proceso de producción industrial no tienen prácticamente costo de producción, pues está implícito en el costo de producción del bioetanol. Por esta razón habitualmente se consideran como un crédito en el gasto de energía.

En la actualidad existen numerosas plantas de producción de etanol en Esta-dos Unidos y Brasil, las que han sido modernizadas y representan una tecnología muy cercana.

Aun cuando, en general, los estudios de Balance Energético en Estados Unidos son satisfactorios, éstos no se pueden extrapolar a la realidad chilena. Es necesario que los organismos de investigación agrícola y universidades realicen estudios, especialmente en el cultivo de maíz, que sirvan para orientar a los pro-ductores agrícolas y a las plantas de producción de bioetanol que se instalen a futuro.

Mientras tanto, es necesario comentar algunos indicadores de producción de Estados Unidos y Chile que pueden servir de orientación a una futura industria de bioetanol de maíz (ODEPA, 2007):

• La producción media de maíz en Chile varía entre 100 y 120 qq/ha, superior a la productividad media de USA, que es inferior a 100 qq/ha.

• Se estima que el rendimiento de bioetanol en el país estará entre 4.400 a 4.600 litros por hectárea, expectativa bastante superior a la media de USA considerando que el factor de conversión es de 380 a 400 litros de bioetanol por tonelada en una planta moderna.

• La producción de maíz en USA es en general altamente mecanizada, en cambio, la de Chile se puede considerar medianamente mecanizada.

• La cantidad de residuos agrícolas producida en Chile, sólo de los cultivos de trigo y maíz, es de tres millones de toneladas. Con la tecnología existente se podrían producir 1000 millones de litros de bioetanol a un costo muy similar al del bioetanol de maíz, generando recursos por 500 millones de dólares por año los que harían absolutamente rentable estos cultivos.

• En Chile se consumen tres millones de metros cúbicos de gasolina, si se usara bioetanol como aditivo a la gasolina en un 10% se necesitarían 300 millones de litros de bioetanol por año. Esta cantidad de bioetanol requeriría de 750.000 toneladas de maíz para su producción, lo que con los actuales rendimientos de la región de O’Higgins implicaría 60.000 hectáreas con este cultivo.

• Actualmente, se siembran más de 70.000 hectáreas de maíz en la VI región. La inversión, calculada como inversión por litro de capacidad de producción anual instalada, requerida para implementar esta industria es del orden de US$ 0,37 por litro. Así, la planta necesaria para producir el bioetanol requeri-do como aditivo en un 10% a la gasolina implicaría una inversión inicial de

• Con las nuevas disposiciones legales, aprobadas en Estados Unidos en Agosto de 2005 el uso de bioetanol será obligatorio en todo el país, con lo que la demanda aumentará a 30.000 millones de litros, el doble de la pro-

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ducción actual. En tanto que en la Unión Europea el uso de etanol será obligatorio en 5,75% de la gasolina consumida al año 2010, generando una demanda de más de 14.000 millones de litros, siendo su actual oferta inferior a los 1.000 millones de litros.

• El bioetanol se tranza en el mercado norteamericano en US$ 0,45 por litro y en el europeo en US$ 0,65 por litro. La posibilidad de exportación a estos dos mercados es una realidad, ya que hay tratados de libre comercio con ambos, lo que no puede hacer Brasil por existir aranceles al etanol de US$ 0,52 por galón en Estados Unidos y algo similar en la Unión Europea.

A lo anterior se suma el hecho de que la producción de bioetanol derivado del maíz es una tecnología madura, siendo poco probable que puedan realizar-se reducciones significativas en los costos de producción, por lo que en Chile el desarrollo de la industria del bioetanol utilizando maíz no tendría grandes compli-caciones.

Los riesgos tecnológicos y funcionales son similares a los de instalar cual-quier otra nueva industria en el país. La madurez tecnológica alcanzada en el ámbito internacional, sobre todo en Estados Unidos, en el proceso de conversión de maíz en bioetanol, disminuye las dificultades de adquirir tales tecnologías.

Se podría ahorrar nitrógeno incluyendo leguminosas en la rotación de cultivos, mejorando las prácticas culturales y mediante el uso de mínima o cero labranza. En este aspecto, la cero labranza, además de reducir el consumo de energía por menor uso de combustible, mejora la disponibilidad de nitrógeno y otros nutrientes, disminuye la erosión de los suelos, y la materia orgánica acumulada mediante este sistema contribuye a conservar la humedad beneficiando a los cultivos.

Los antecedentes entregados muestran la factibilidad de desarrollar esta in-dustria en Chile. Pero, sobre todo, invertir recursos en la producción de bioetanol puede generar un conjunto de beneficios mayores a los resultados económicos mencionados, si el tema se plantea como una forma de desarrollo de economías regionales, de aprovechar las posibilidades de agregar valor y de integrar produc-ciones agropecuarias básicas. El bioetanol puede ser un punto de partida en el proceso de incorporar a Chile en el grupo de naciones que avanzan en el desa-rrollo y producción de energías renovables a partir de la actividad agropecuaria.

Por último, en materia legislativa las autoridades chilenas publicaron, en el Diario Oficial, en Mayo del 2008, la autorización para el uso de las mezclas en 2 a 5% de bioetanol con gasolina y biodiesel con diesel, para su uso en vehículos. Esta medida fue calificada por el Gobierno como “un nuevo paso en la diversifica-ción de la matriz energética del país” (Chile Potencia Alimentaria, 2008).

18.6 Financiamiento

La Corporación de Fomento de la Producción (CORFO) tiene cuatro áreas programáticas que promueven el desarrollo económico. Estas son: Innovación, Inversión, Calidad y, Productividad y Financiamiento.

El desarrollo de la industria de los biocombustibles contaría a nivel nacional con tres de estas áreas: la innovación, el financiamiento y la inversión extranjera.

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Respecto de los incentivos en el área de la innovación, estos corresponden a cuatro tipos:

• Innovación empresarial.• Transferencia tecnológica.• Innovación competitiva.• Emprendimiento.

Estos programas cuentan, dependiendo de la línea, con subsidios que van desde $ 30 a $ 600 millones y un financiamiento comprendido entre los 10 y los 400 millones de pesos.

Para la innovación empresarial están disponibles financiamientos para:

• Proyectos de innovación individual.• Consorcio empresarial: etapa factibilidad.• Consorcio empresarial: etapa de implementación.• Consorcio tecnológico universidad-empresa.

El co-financiamiento para estos instrumentos fluctúa entre los US$ 750 y 60 mil para los dos primeros, respectivamente, y entre los US$ 1,25 y 6 millones, para los dos últimos. No existe en la actualidad una línea específica que financie proyectos sobre biocombustibles, aunque destaca el programa B-14 (Programa País Eficiencia Energética, iniciado por el Estado a comienzos de 2005) de ener-gías renovables, que otorga un crédito de un millón de dólares, ampliable a US$ 5 millones.

Uno de los objetivos del Programa B-14 es el financiamiento de créditos de largo plazo u operaciones de leasing que otorguen bancos, a empresas privadas medianas y pequeñas, para las inversiones destinadas a mejorar el medio am-biente y cumplir con la normativa ambiental vigente.

Un resultado de esto es que la posibilidad de poder cargar combustible producido localmente en Aysén, en reemplazo de gasolina importada podría dejar de ser una utopía, luego de que fuera presentado a Innova Chile (también de CORFO), el proyecto de producción de bioetanol a partir de nabo forrajero, vege-tal perteneciente a la familia de las Brassicas.

Entre sus principales características, el proyecto pretende establecer una planta piloto de producción de bioetanol cercana a Coyhaique, junto con desarro-llar los cultivos necesarios para abastecerla. De esta forma, el proyecto plantea la idea de transformar a la Región de Aysén en una zona piloto a nivel nacional para el uso de bioetanol.

En esta misma área, y en coordinación con la Oficina de Estudios y Políticas Agrarias (ODEPA) y la Comisión Nacional de Energía (CNE), en octubre de 2006 se licitó el estudio “Evaluación Socioeconómica y Balance Energético para la ela-boración de Biodiesel y Bioetanol en Chile”, cuyos resultados entregarán informa-ción relativa a:

• Análisis económico y energético de la producción de materias primas agríco-las para la producción de biodiesel y bioetanol.

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• Estimación de la disponibilidad de tierras para la producción de materias primas actual y potencial.

• Evaluación de la posible ubicación y tamaño de las plantas productoras de biodiesel y bioetanol y la logística correspondiente.

• Análisis de la ubicación y volumen de los centros de consumo de los biocom-bustibles.

La información anterior sin duda permitirá definir nuevos instrumentos de apoyo en esta materia.

Por otra parte, dentro de los Lineamientos para una Política Nacional de Biocombustibles y como mecanismos de apoyo para la pequeña agricultura y a través del Ministerio de Agricultura y sus instituciones (INDAP, INIA y Comisión Nacional de Riego (CNR)), se plantea la posibilidad de incentivar la agrupación de los pequeños agricultores para la producción de las materias primas relevan-tes. También es posible aportar asesorías técnicas para generar esquemas que permitan establecer acuerdos de largo plazo que aseguren el abastecimiento industrial.

En este ámbito, la industria del etanol en Estados Unidos ha promovido la asociación cooperativa de productores, como impulso a la instalación de plan-tas de este tipo. Los productores miembros de una cooperativa tienen ventajas como: minimizan el costo de transporte, venden su producción en el momento de la cosecha sin tener que asumir el costo de secado, ya que el maíz usado en la producción del etanol puede contener hasta un 32% de humedad, compran los insumos a menores costos y perciben otro ingreso con las utilidades de la coope-rativa.

18.7 Glosario

Aldehído: tipo de sustancia química que se hace del alcohol. Los aldehídos se utilizan en la industria y en los laboratorios químicos por sus propiedades reduc-toras. Están presentes en muchas frutas, siendo responsables de su olor y sabor característicos, y tienen mucha importancia en la fabricación de plásticos, tintes, aditivos y otros compuestos químicos.

Anhidro: que no contiene agua.

Benceno: líquido incoloro de olor característico y sabor a quemado, de fórmula C6H6. El benceno es un disolvente eficaz para ciertos elementos como el azu-fre, el fósforo y el yodo, también para gomas, ceras, grasas y resinas, y para los productos orgánicos más simples. Es uno de los disolventes más empleados en los laboratorios de química orgánica. Mezclado con grandes proporciones de gasolina constituye un combustible aceptable. En Europa era frecuente añadir al benceno mezclado con tolueno y otros compuestos asociados al combustible de los motores, y sólo recientemente se ha tenido en cuenta su condición de agente cancerígeno.

B-14: Programa País Eficiencia Energética; es un esfuerzo participativo iniciado por el Estado a comienzos de 2005 con el objeto de poner a Chile al día en el

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ámbito de las energías renovables, de modo rápido y eficaz.

CO: monóxido de carbono (II) u óxido de carbono (II) es un gas inodoro, incoloro, inflamable y altamente tóxico. Se produce cuando se queman materiales com-bustibles como gas, gasolina, keroseno, carbón, petróleo, tabaco o madera en ambientes de poco oxígeno. Las chimeneas, las calderas, los calentadores de agua o calefones y los aparatos domésticos que queman combustible, como las estufas de la cocina o los calentadores a kerosina, también pueden producirlo si no están funcionando bien. Los vehículos detenidos con el motor encendido también lo despiden.

CO2: el dióxido de carbono, también denominado óxido de carbono (IV) y anhídri-do carbónico, es un gas cuyas moléculas están compuestas por dos átomos de oxígeno y uno de carbono. Es un gas resultante de la combustión de combusti-bles fósiles.

Coproductos: Un proceso conjunto produce en forma simultánea más de una sola línea de productos. Los coproductos son los productos principales de un pro-ceso conjunto, cada coproducto tiene en forma individual una capacidad sustan-cial para la generación de ingresos.

Destilación: proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus compo-nentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensa-ción. La finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan mecanismos similares en ambos casos.

Energía No renovable: entre las principales energías no renovables se encuen-tran el petróleo, el carbón, y el gas natural, entre otros.

Energía Renovable: las energías renovables se caracterizan porque en sus pro-cesos de transformación y aprovechamiento en energía útil no se consumen ni se agotan en una escala humana. Entre estas fuentes de energías están: hidráulica, solar, eólica y de los océanos. Además, dependiendo de su forma de explotación, también pueden ser catalogadas como renovables la energía proveniente de la biomasa y la energía geotérmica.

Enzima: las enzimas son moléculas de proteínas que tienen la capacidad de facilitar y acelerar las reacciones químicas que tienen lugar en los tejidos vivos, disminuyendo el nivel de la “energía de activación” propia de la reacción. Se en-tiende por “energía de activación” al valor de la energía que es necesario aplicar (en forma de calor, electricidad o radiación) para que dos moléculas determina-das colisionen y se produzca una reacción química entre ellas. Generalmente, las enzimas se nombran añadiendo la terminación “asa” a la raíz del nombre de la sustancia sobre la que actúan. Ej.: amilasa.

Esterificación: proceso por el cual se sintetiza un éster. Un éster es un com-puesto derivado formalmente de la reacción química entre un ácido carboxílico y

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un alcohol. Corresponde a la reacción entre un alcohol y un ácido, en presencia de ácido sulfúrico como catalizador, y mediante la cual se obtienen un éster y agua.

ETBE (etil ter-butil eter): biocarburante derivado del bioetanol sirve para aumen-tar el índice de octano de la gasolina, evitando la adición de sales de plomo. Se obtiene por síntesis del bioetanol con el isobutileno, subproducto de la destilación del petróleo. El ETBE posee las ventajas de ser menos volátil y más mezclable con la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se aditiva a la gasolina en proporciones del 10-15%.

Fermentación: cambios químicos en las sustancias orgánicas producidos por la acción de las enzimas. El tipo de fermentación más importante es la fermentación alcohólica, en donde la acción de la cimasa segregada por la levadura convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y dióxido de carbono. Generalmente, la fermentación produce la descomposición de sustan-cias orgánicas complejas en otras simples, gracias a una acción catalizada.

Gasificador: aparato para producir gases a partir de materiales diversos, como el carbón, la madera, etc.

Higroscópico: que tiene la propiedad de absorber y exhalar la humedad según las características del medio ambiente.

Licuefacción: hacer líquida una sustancia sólida o gaseosa.

Mezcla azeotrópica: un azeótropo es una mezcla líquida de dos o más compo-nentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor se comporta como un líquido puro, o sea como si fuese un solo componente. Una mezcla azeotrópica es una mezcla líquida de dos o más sus-tancias que se comporta como una sustancia única, en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido.

METBE (metil ter-butil eter): biocarburante de origen fósil que en la actualidad se emplea como aditivo de la gasolina sin plomo para aumentar su octanaje.

NOx: denominación usada para identificar al grupo de los óxidos del nitrógeno, que incluyen el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2). Son contami-nantes primarios de mucha trascendencia en los problemas de contaminación y se les considera agentes tóxicos. En concentraciones altas producen daños a la salud y a las plantas y corroen tejidos y materiales diversos.

qq/ha: medida de peso equivalente a 100 kilos por hectárea.

Sacarificación: convertir por hidratación las sustancias sacarígenas (sustancia capaz de convertirse en azúcar mediante la hidratación) en azúcar.

Zeolita: adsorbente microporoso que permite la eliminación de muchos de los compuestos contaminantes generados por las industrias.

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18.8 Fuentes Consultadas

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