Energía y Biocombustibles

Energa 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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20

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:


Tecnologas Limpias

21

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.


Tecnologas Limpias

22

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.


Tecnologas Limpias

23

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.


Tecnologas Limpias

24

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.


Tecnologas Limpias

25

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


Tecnologas Limpias

26

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


Tecnologas Limpias

27

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.


Tecnologas Limpias

28

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


Tecnologas Limpias

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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.


Tecnologas Limpias

30

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


Tecnologas Limpias

31

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.


Tecnologas Limpias

32

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.


Tecnologas Limpias

33

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


Tecnologas Limpias

34

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:


Tecnologas Limpias

35

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.

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