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1 I

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Combustibles derivados de la

Aplicacin en motores de combustin interna

Panormica de los factores tecnolgicos, econmicos y

medioambientales de la produccin y utilizacin de

biocombustibles lquidos, fundamentalmente en su vertiente de

aplicacin a los motores de combustin interna .

JAIME ORTIZ-CAAVATE.

Catedrtico. Dpto. de Ingeniera Rural

n muchas partes del mundo, y

especialmente

en los EEUU y

en Europa, se ha propuesto de

un modo insistente que los bio-

combustibles pueden tener un

inters manifiesto como cultivos

sustitutorios a los actuales exce-

dentarios de tipo alimenticio.

En la actual

PAC (Poltica Agraria Co-

munitaria), de los 128 millones destinados

a la produccin alimenticia en 1991, est

previsto reducir 7 millones de hectreas

para finales

de 1995. La razn

fundamen-

tal es el enorme coste de almacenaje de

los excedentes agrcolas, que representa

un presupuesto estimado de 140 millones

de ecus a la semana.

Unas posibles

soluciones para el cambio

de orientacin de estos excedentes agrco-

las seran:

1.

Programa de abandono de tierras

(set-aside).

2.

Cambiar la orientacin de la produc-

cin hacia cultivos no alimentarios

como son los de tipo energtico 0

biocombustible.

Esta segunda orientacin tiene como

ventaja la diversificacin de las fuentes de

energa, as como un mejor balance del

CO^ en la atmsfera (reduccin del efecto

invernadero) y unas claras ventajas de n-

dole social al conseguir un mayor empleo

de la mano de obra disponible en el cam-

po.

Al precio actual del barril de petrleo

por debajo de los 20, los biocombustibles

no pueden ser competitivos, considerando

slo el punto de vista del coste de la ener-

ga, pero hay que tener en cuenta que en

el caso de los combustibles fsiles, sla-

mente se tienen en cuenta los costes de

extraccin y refino, mientras que con los

biocombustibles hay que considerar ade-

ms los costes de produccin.

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Cuando consideramos quc se dcbc dc-

dicar un porcentaje de la tien-a cultivada

para producir energa, en realidad esta-

mos reproduciendo lo que era usual antcs

de la motorizacin de la agricultura mo-

derna, cuando era necesario dedicar alrc-

dedor del 20% de la superficic total a pro-

ducir alimento para los animalcs dc lahor

como caballos, mulas, bucyes, tc.

Vamos a considerar nicamcnte los hio-

combustibles lquidos (aceites y alcoholes)

que son los quc ms posibilidadcs ticnrn

en el futuro para su aplicacin en motores

de combustin interna.

Aceites vegetales y metilsteres

La produccin de ace ites vcgctalcs es

posible realizarla a partir dc m^s dc 300

especies vegctales distintas. EI acrite puc-

de ser extrado (en general a partir de las

semillas o los frutos) po r pirlisis o por

compresin y extraccin. Los aceites ohtc-

nidos por pirlisis no resultan adccuados

para su uso en motores de comhustin in-

terna; s lo son los obtenidos por comprc-

sin y extraccin, tras un proccsu dc rcl'i-

nado. Una operacin adicional -las tran-

sesterificacin- permite obtener los ^ste-

res a partir de aceites vcgetales, quc resul-

tan de aplicacin directa en los motores

diesel de inyeccin directa.

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biomasa

Los cultivos ms prometedores en nues-

tras condiciones para la produccin de

aceites vegetales son los de colza y girasol.

Partiendo de 3.000 kg de semilla de colza

(la produccin aproximada de 1 ha) ms

un aporte de 1 10 kg de metanol, se pue-

dcn ohtener 1.000 kg de metilsteres,

1900 kg de

torta rica en protena para ali-

mentacin animal y 110 kg de glicerina.

Tanto la produccin de colza como de

girasol dan una buena relacin de produc-

cin/consumo de energa

del orden de

2,R, incluyendo la energa de metilsteres,

torta protenica y glicerina) y una conside-

rable produccin neta de energa en el

proceso global hasta la obtencin de meti-

lsteres

del orden de 40-50 GJ/ha). En el

cuadro I tenemos unos valores indicativos

del balance encrgtico para los cultivos

olecolas cunsideradas.

La obtencin de ace ites vegetales de

cultivos como girasol y colza se puede rea-

lizar en las siguientes fases:

a

Produccin de aceite crudo: la pro-

duccin de aceite crudo a partir de plantas

oleaginosas productoras de sem illas se

puede realirar siguicndo dos procesos di-

ferentes, pero que tambin pueden ir

comhinados:

- Prcnsado. EI accite es prensado me-

cnicamente, normalmente median-

te prensas de tornillo sin fin, calen-

tando a veces la masa para conse-

guir un mayor rendimiento de acei-

te .

- Extraccin. En este caso el aceite es

removido de la semilla prximamen-

te al 100% mediante la accin de un

disolvente

normalmente etano).

Este proceso requiere mucha ms

energa que el de prensado y nor-

malmente slo se emplea a conti-

nuacin del presnado para extraer el

aceite remanente que queda en la

parte residual.

b) Refinado de aceite: para la utiliza-

cin del aceite vegetal en motores es nece-

sario refinar hasta que est a punto el

aceite crudo. Despus de ciertos trata-

mientos industriales se obtiene un aceite

denominado semi-refinado apto para

ser utilizado como combustible sin que se-

an necesarios otros tratamientos como el

dc desodorizacin o clarificado.

c)

Esterificacin: la idea ms extendida

es que el aceite combustible debe adaptar-

se a los motores diesel y no viceversa. Una

forma sencilla de adaptar los aceites vege-

tales a las exigencias de los motores diesel

cs su esterificacin, que consiste en disgre-

gar la estructura molecular compleja de

estos aceites mediante su reaccin con un

alcohol (normalmente metanol) produ-

ciendo unos steres y glicerina.

(Fig. 1).

La produccin de glicerina podra supo-

ner un problema de excedente si aparecie-

ra en grandes cantidades en el mercado

mundial.

Los aceites vegetales refinados pueden

ser utilizados en algunos tipos de motores

diesel (de inyeccin indirecta), pero no

pueden ser empleados en los motores die-

sel normales de inyeccin directa. En cam-

bio, el metilster (tambin llamado bio-

Sern necesarios

subsidios pblicos

para aumentar la

produccin de

materias primas

diesel) posee caractersticas si-

milares a las del gasleo y pue-

de ser utilizado en cualquier ti-

po de motor diesel, solo o en

mezcla, con algunos problemas

menores:

- Dilucin en el aceite dcl

motor. Partc del accitc uti-

lizado como combustiblc

pasa a travs del pistn y se

mezcla con el aceite del

motor. Esto puedc afectar

a la correcta lubricacin, lo

que obliga a cambiar el

aceite con mayor frecuen-

cia.

- Com patibilidad. Los meti-

lsteres pueden disolvcr al-

gunos tipos de pinturas.

Tambin los elementos de

caucho pueden ser afecta-

dos.

- Funcionam iento en fro.

Por debajo de 0C se de-

ben a

iadir aditivos para

mejorar el arranque y el

paso por los filtros.

Etanol y metanol

El etanol, sea cual sea su ori-

gen, puede utilizarse en muy diferentes

campos; esta versatilidad es una de sus

principales ventajas. Sus usos fundamen-

tales son alimentacin y energa, tanto en

combustin directa como fundamental-

mente en motores de com bustin interna.

Las ventajas tcnicas del bioetanol (etanol

obtenido desde la biomasa) no son rele-

vantes con respecto a los combustibles tra-

dicionales, siendo las consideraciones eco-

nmicas las que establecen un inters

prctico.

EI etanol es un combustible similar a la

gasolina. Se utiliza en la actualidad en los

vehculos de los Estados Unidos y de la

Unin Europea mezclado con gasolina, en

concentraciones bajas (10%). Tambin sc

utiliza en Brasil, en mezclas del 20`% c in-

cluso pueden llegar hasta el 100%,. Un

motor de explosin puede ser fcilmente

adaptado para funcionar con alcohol o

con mezclas de alcohol y gasolina.

Las materias primas de origen agrcola

que pueden ser empleadas en la produc-

cin de etanol en la UE son normalmente

el trigo, la remolacha, la pataca, la patata y

el sorgo, entre otras. En Europa Central y

otras reas de la UE, parte de estos culti-

vos podran en el futuro oricntarsc en este

sentido. En pases tropicales, como Brasil,

se emplea la caa de azcar para obtener

etanol.

VIDA RUR AL/N. 16/ABRIL, 1995/79

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El proceso de obtencin vara segn la

materia prima, pero siempre incluye una

fermentacin y una destilacin posterior,

hasta obtener una pureza del 99,5%, nece-

saria para su uso en motores de combus-

tin interna. A partir de 1.000 kg de trigo

se obtienen alrededor de 285 kg de etanol.

En el cuadro

II se expresa la produccin

de etanol a partir de diversos cultivos.

La relacin produccin/consumo de

energa en la obtencin de etanol a partir

de remolacha es del orden de 1,5 me nor

que en la produccin de m etilsteres a

partir de colza. La produccin neta de

energa es del orden de 50 GJ/ha. El coste

de produccin de etanol a partir de mate-

Los aceites vegetales y los steres de la soja se pueden obtener fcilmente.

En la foto pequea, un autobs alimentado con biodiesel en Zurich.

- Combustin ms completa, menores

emisiones de monxido de carbono

y menos residuos slidos.

Como ventajas socioeconmicas tene-

mos:

- Incremento del nmero de puestos

de trabajo para mano de obra no

cualificada en el medio rural.

- Menor dependencia energtica.

- Mejor distribucin terica de la ri-

queza.

Como inconvenientes se apuntan:

- Mayor consumo, teniendo en cuenta

el

menor valor calorfico del etanol.

- Problemas por emisiones de aldehi-

dos y por el posible contenido en

cido sulfrico.

- Problemas de almacenamiento.

En cuanto al metano, es frecuentemen-

te mencionado como el mejor combustible

para el futuro transporte de superficie, de-

alcanzar las exigencias dc octantijc dc la

gasolina.

Beneficios potenciales

El desarrollo de nuevos cultivos ^ner-

gticos y el uso alternativo de cultivos tra-

dicionales puede producir una seric dc

beneficios potenciales, cntrc los yuc se

pueden mencionar los siguientes:

Mejora en cl uso de los recursus

agrarios. EI des

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mentarios recihiendo apoyo econmico.

Los agricultores, entrando en programas

de reforestacin y del cultivos energticos,

diversificaran sus ingresos y aumentaran

sus ganancias glohales. EI ahorro obtenido

en la reduccin del apoyo a los cultivos ex-

cedentarios podra emplearse en incenti-

var este tipo de programas. Ello originara

los siguientes beneficios:

- Revitali^acin de economas rurales

y generacin de empleo. Los culti-

vos energticos y el uso de biocom-

hustiblcs puede apoyar las econom-

as rurales en, al mcnos, dos aspec-

tos: por el uso adicional de los recur-

sos de la explotacin agrcola, crean-

do cmpleo directo, y por la manu-

factura y comercializacin del pro-

ducto, yuc deber ser otra fuente de

riqucr.a en la comunidad ruraL Sin

embargo, es necesario un estudio

ms amplio sobre cl mecanismo a

scguir cn cl proceso.

Por otro lado, las sociedades rurales

consumcn cantidades importantcs dc

encrga (m^ls dcl 4`%^ dc la energa total en

la C'E) en forma de consumo directo, en

transporte de productos agrcolas o en

bienes de produccin. Sera interesante

yue la energa obtenida por cultivos ener-

gticos cubricra parte dc las necesidadcs

del ^rca rural en la yue es producida.

- Mejora de la compctitividad inter-

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Triglicrido + Alcohol

Oa^ Glicerina + Esteres

Ejemplo:

1.000 kg ac. veg. + 110 kg metanol Oatal^

*

Como catalizador puede servir hidrxido sdico o potsico

nacional: La promocin dc nuevos usos

para los cultivos tradicionales, o los culti-

vos bioenergticos, pueden desarrollar la

exportacin dc los bienes industrialcs o

tecnologas correspondientes. Adems, to-

da mejora en la reduccin de excedentes

puede ayudar a encontrar soluciones cn

cuestiones como el GATT.

- Otras ideas interesantes son la hiodi-

versidad yue genera la introduccin

dc nuevos cultivos y la posibilidad de

renovar estos recursos de forma per-

manente, cara a las gcncraciones fu-

t u ras.

En el caso de yue los hiocombustihlcs

pasaran a constituir una partc importante

de suministro de energa dentro de la UE

sera

m^s convenicnte utilirar aceites ve-

getales y sus steres as como productos

celulsicos y residuos orgnicos. Los culti-

110 kg glicerina + 1.000 kg ME metilster)

vos para ohtencin dc azcar o almidn

(maz, trigo. rcmolacha, caa) tiencn mer-

cados establccidos yue pucden versc afec-

tados.

Los aceites ve`^etales v sus stcres se

pueden obtcncr fcilmcnte (girasol, soja,

colza) pcro ncccsitatan apoyo econmico

pblico y cstudios agrocconmicus am-

plios para predecir los resullados dc la

sustitucin dc cultivos alimentarios por

cultivos ener,^^ticos.

Accin

de los

biocombustibles sobre

el medio ambiente

En los ltimos aos UE ha lomado

concicncia dc la imprn^tancia de los pro-

hlcmas mcdioamhicntalcs. En murhos ca-

sos, el cxccsivo ^nfasis cn la producci

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conservara mejor el suelo que un tcrreno

sin cultivar, lo cual es un factur a tenrr

muy en cuenta en ciertas zonas curopeas

con graves problemas de erosin.

Incluso los suelos contaminados por

metales pesados, no aptos para cultivos

para consumo, se pueden recuperar dedi-

cndolos a los cultivos energticos.

Una montaa de smola de soja en un centro de almacenaje.

cin de los recursos naturales -suelo

agua y aire- de los que, en definitiva, de-

pende la agricultura. Los biocombustibles

pueden ayudar a mejorar esta situacin.

Una gran parte de los efectos beneficio-

sos asociados a los biocombustibles pro-

vienen de la reduccin en parte de los ga-

ses nocivos emitidos por los motores ali-

mentados con combustibles fsiles: mon-

xido de carbono, hidrocarburos no consu-

midos, xidos de nitrgeno, dixido de

azufre, compuestos orgnicos voltiles,

plomo etc. La sustitucin de aditivios

puede resolver algunos de estos proble-

mas, como el plomo en la gasolina.

Un segundo conjunto de problemas es

el recalentamiento global de la atmsfera

provocado por el dixido de carbono libe-

rado por la combustin de com bustibles

fsijes, a causa del efecto invernadero.

Respecto a las emisiones de gases, la in-

troduccin de biocombustibles como susti-

tutos de los combu stibles fsiles permiti-

ra:

Una reduccin general de los nivejes

de dixido de carbono y consecuen-

temente.

- Una reduccin potencial en el efecto

invernadero.

- Un ligero incremento en los niveles

de xido de nitrgeno.

- Un incremento en el nivel de aldehi-

dos en vehculos sin catali^ador. No

hay suficiente informacin respecto

a los equipados con catalizador.

- En las mezclas de compuestos oxi-

genados con gasolina, importantes

reducciones en el nivel de monxido

de carbono.

En este aspecto, es interesante intensifi-

car los esfuerzos de investigacin en las

tecnologas para una menor aplicacicn de

fertilizantes y fitosanitarios y en temas co-

mo el laboreo mnimo o la siembra direc-

ta. Es importante destacar que el uso de

laboreo mnimo o no-laboreo reduce la

erosin con respecto a los sistemas tradi-

cionales de cultivo y respecto a las tierras

sin cultivar. Por lo tanto, un cultivo ener-

gtico llevado a cabo con estas tcnicas

1 1

1'

f 1

1

1

Cultlvo

Produccln Relacfbn

Produccln

en grano

Icg/ha

energtlca energ8tlca

output/Input

neta

fiJ/ha

Girasol

2.600 2,8

43,3

Colza

2.700

2,8 43,4

f f

f

f f f f

f

f

f

f

Trigo

Remolacha Sorgo dulce

Pataca

Produccin t/ha)

6,7

60

70 70

Factor de conversin I/kg)

0,37

0,09 0,053

0,08

Produccin de etanol I/ha)

2.480

5.400

3.680 5.600

Anlisis econmico de los

biocombustiWes

La subida del precio del pctrlco cn cl

ao 1973 y la crisis energtica del alio I^)79

ha tenido como consecuencia cl rcdiseu

de la poltica energtica en los pascs dcsa-

rrollados. Uno de los objetivos dc cstas

nuevas polticas es reducir las importacio-

nes de petrleo y gas natural, con vistas a

asegurar la estabilidad dcl precio de la

energa con respecto a las Iluctuaciones in-

ternacionales.

Los cultivos bioenergticos prescntan

las ventajas de ser renovahlcs, autctonos

y de inters medioambientaL Sin cmbar-

go, el coste de produccin de los biocom-

bustibles es actualmente el dohle del costc

de la gasolina previamente a la aplicacicn

de impuestos. Por lo tanto, los hiocomhus-

tibles no son compctitivos sin un apoyo

econmico de los gobicrnos respcctivos.

EI precio de la m ateria prima agrcola

es una parte importante en c l costc total

de los biocombustibles. Por cllo, las dcci-

siones de la PAC sobre cl precio dc cstas

materias primas -por ejem plo, el trigo-

son de gran importancia. La situacin cs

diferente si la materia prima se pucde oh-

tener a bajo coste, en situacioncs dc cxcc-

dentes.

En cuanto a los posihles mcrcados, cl

transporte y la industria son los p rincipa-

les consumidores de energa, con similar

importancia. No es prohablc que I,^ mayor

parte de las importacioncti dc pctrlco

puedan ser reemplazadas sino graclual-

mente a lo largo de un largo perodo dc

tiempo. Ms scncilla cs la t^tiliracicn dc

compuestos oxigenados, como cl mrtanul

o el etanol, como aditivos para alcanr.ar

las exigencias de octanaje en las gasolinas.

Los biocombustibles pucden tcnder ^i

comercializarse, al mcnos inicialmentc,

por comerciantes independientes, dada la

dispersin en la produccin. La mayor

parte de los clientcs scrn probahlemcntc

los propios agricultores o coopcrativas ru-

rales pblicas o privadas.

Sern necesarios subsidios phlicos pa-

ra aumentar la produccicn dc matcrias

primas para biocombustiblcs ms all dc

los excedentes y de los residuos alimenta-

rios, tanto en el caso de los bioalcoholcs

como como en el de los aceitcs vegctalcs,

como combustibles o como aditivos.

82/VIDA RURAL/N.

16/ABRIL, 1995