CAPITULO-8 (Biocombustibles: Bioetanol, Biometanol, Biodiesel y Aceites Vegetales puros).

Los también denominados biocarburantes, son productos que se están usando como sustitutivos de los combustibles derivados del Petróleo y que son obtenidos a partir de materias primas de origen agrícola. Existen diferentes tipos según el tipo de motor donde son usados (encendido provocado o encendido por compresión). 

 El uso por primera vez de aceites vegetales como combustibles, se remontan al año de 1900, siendo Rudolph Diesel, quien lo utilizara por primera vez en su motor de encendido  por compresión (aceite de cacahuete) y quien predijera el uso futuro de biocombustibles. Durante la segunda guerra mundial, y ante la escasez de combustibles fósiles, se destacó la investigación realizada por Otto y Vivacqua en el Brasil, sobre diesel de origen vegetal, pero no fue hasta el año de 1970, que el biodiesel se desarrolló de forma significativa a raíz de la crisis energética que se sucedía (1ª Gran crisis energética).

 El consumo mundial de biocarburantes se cifra en torno a 170 millones de toneladas anuales, correspondiendo la práctica totalidad de la producción y consumo al bioetanol. En Brasil, con alrededor de 90 millones de toneladas anuales y Estados Unidos, con una producción estimada para este año de casi 50 millones de toneladas, son los países mas importantes en la producción y uso de biocarburantes. En Brasil el bioetanol se obtiene de la caña de azúcar y su utilización se realiza principalmente en mezclas al 20% con la gasolina (E-80). En Estados Unidos el bioetanol se produce a partir del maíz y se emplea en mezclas con gasolina, generalmente al 10%(E-90). Este último país ha sustituido casi el 2% de su gasolina por bioetanol. 

 Además de la colza, en los últimos años se ha producido biodiesel a partir de soja, girasol y palma, siendo esta última la principal fuente vegetal utilizada en Malasia para la producción de biodiesel PME y PEE (Palm Methyl Ester y Palm Ethyl Ester).

En general podemos considerar la biomasa como una forma de energía solar almacenada, ya que las plantas de donde se obtienen utilizan está energía para capturar el CO₂ y agua en el proceso de la fotosíntesis, por lo tanto nos encontramos con una emisión neta cero, ya que el carbono que se emite fue retirado de la atmósfera en el mismo ciclo energético.    

 Ya hemos visto que la Unión Europea regula estos combustibles con La Directiva 2003/30/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 8 de mayo de 2003, relativa al fomento del uso de biocarburantes u otros combustibles renovables en el transporte se publica en el Diario oficial el 17.5.2003. Se transpone al derecho Español con otras Directivas mediante el Real Decreto 61/2006, de 31 de enero, por el que se determinan las especificaciones de gasolinas, gasóleos, fueloleos y gases licuados del petróleo y se regula el uso de determinados biocarburantes. 

Combustibles de origen Agrícola, Promesa de Futuro para el campo español y de la Unión: Fuente: Somerset Biofuel Project (UK)

8.1. Bioetanoles.

El bioetanol se utiliza en vehículos como sustitutivo de la gasolina, bien como único combustible o en mezclas  que, por razones de miscibilidad entre ambos productos, no deben sobrepasar el 5-10% en volumen de etanol en climas fríos y templados, pudiendo llegar a un 20% en zonas más cálidas. El empleo del etanol como único combustible debe realizarse en motores específicamente diseñados para el biocombustible. Sin embargo, el uso de mezclas no requiere cambios significativos en los vehículos, si bien, en estos casos el alcohol debe ser deshidratado a fin de eliminar los efectos indeseables sobre la mezcla producido por el agua.

Surtidores de E-85. Fuente: Energy Information Administration (USA)

La mezclas de bioetanol con gasolina se denominan según el porcentaje de etanol. Así el etanol carburante puede utilizarse también, como el E85, una mezcla del 85% de etanol y del 15% de gasolina. Otras mezclas comercializadas son: E5, E10, E85, E95, E100 (etanol 100%). El E85 se utiliza en "vehículos flexibles del combustible" (FFV) diseñados específicamente para el consumo de este tipo de combustible y utilizados actualmente en Brasil.

 Sin embargo, el límite máximo de etanol en Europa está limitado por la especificación del contenido en oxígeno de 2.7%, que supone limitar el uso del etanol al 7.8%. No se proporciona ninguna excepción para la mezcla de etanol por encima del 7.8%. En algunos países europeos se utiliza normalmente una mezcla del 5% de etanol.

 Un biocarburante derivado del bioetanol es el ETBE (etil ter-butil eter) que 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 miscible con la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se aditiva a la gasolina en proporciones del 10-15% (En España se han suministrado 300.000 Toneladas en el año 2006 [26]). La adición de ETBE o etanol sirve para aumentar el índice de octano de la gasolina, evitando la adición de sales de plomo etiladas. También se utilizan ambos productos como sustitutivos del MTBE (metil ter-butil eter) de origen fósil, que en la actualidad se está empleando como aditivo de la gasolina sin plomo. 

 Varias son las marcas de automóviles en el mundo que ha apostado desarrollar motores que funcionan con biocombustibles. En el caso que nos ocupa es el Bioetanol y a modo de ejemplo hemos utilizado el fabricante seco Saab

 Saab 9-5 2.0t Biopower, Fuente: http://www.autocity.com/novedades/Saab/Aero/X/02-2006/index.html

 En Europa la empresa Saab apuesta decididamente por el etanol como combustible más limpio y económico, y si ya ha cosechado un enorme éxito con el 9-5 2.0t Biopower de 180 cv (el cual representa el 70% de las ventas de Saab 9-5 en Suecia).

Saab Aero X, Fuente: http://www.autocity.com/novedades/Saab/Aero/X/02-2006/index.html

La carrocería está hecha en fibra de carbono, y la tracción es a las cuatro ruedas, mientras que la suspensión está controlada electrónicamente. Para el motor se cuenta con un V6 Bio Power, que como combustible utiliza bioetanol y desarrolla nada menos que 400 cv. Con esta potencia y ligereza, se asegura que este deportivo podría acelerar de 0 a 100 km/h en 4,9 segundos, y la velocidad máxima se limitaría electrónicamente a 250 km/h.

El metanol, también llamado alcohol metílico, alcohol de madera, carbinol y alcohol de quemar, es el primero de los alcoholes. Su fórmula química es CH₃OH.

La estructura química del metanol es muy similar a la del agua, con la diferencia de que el ángulo del enlace C-O-H en el metanol (108.9°) es un poco mayor que en el agua (104.5°), porque el grupo metilo es mucho mayor que un átomo de hidrógeno.

Originariamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas de madera. Esta materia prima condujo a su nombre de alcohol de madera. Este proceso consiste en destilar la madera en ausencia de aire a unos 400 °C formándose gases combustibles (CO, C₂H₄, H₂), empleados en el calentamiento de las retortas; un destilado acuoso que se conoce como ácido piroleñoso y que contiene un 7-9% de ácido acético, 2-3% de metanol y un 0.5% de acetona; un alquitrán de madera, base para la preparación de antisépticos y desinfectantes; y carbón vegetal que queda como residuo en las retortas.

Se podría convertirse en una opción interesante para los vehículos propulsados mediante pilas de combustibles (con reprocesado del hidrógeno a bordo) debido a su elevado contenido en hidrógeno. El metanol no tiene el inconveniente que tiene el Hidrogeno actual de llevar consigo ppm de CO que pueden acabar envenenando los catalizadores de las Pilas.

La mezclas de biometanol con gasolina se denominan según el porcentaje de etanol. Así M95 se trata de metanol con un 5% de gasolina (En USA se utilizó hasta el año 2000) [24], el M100 se trataría de 100% biometanol (En USA se utilizó hasta el año 1999)[24]. 

También denominado biogasóleo o diester, constituye un grupo de biocombustibles que se obtienen a partir de aceites vegetales como  soja , colza y girasol (dos principales cultivos de oleaginosas en la Unión Europea). Los biodiesel son metilesteres de los aceites vegetales obtenidos por reacción de los mismos con metanol, mediante  reacción de transesterificación, que produce glicerina como producto secundario. Los metilesteres de los aceites vegetales poseen muchas características físicas y físico-químicas muy parecidas al gasóleo con el que pueden mezclarse en cualquier proporción y utilizarse en los vehículos diesel convencionales sin necesidad de introducir modificaciones en el diseño básico del motor. Sin embargo, cuando se emplean mezclas de biodiesel en proporciones superiores al 5% es preciso reemplazar los conductos de goma del circuito del combustible por otros de materiales como el vitón, debido a que el biodiesel ataca a los primeros. A diferencia del etanol, las mezclas con biodiesel no modifican muy significativamente gran parte de las propiedades físicas y fisicoquímicas del gasóleo, tales como su poder calorífico o el Índice de Cetano. 

En cuanto a comparación de emisiones [25] el Biodiesel Nacional Board de USA viene comparando desde hace años los comportamientos del B100 y el B20 referidos al Diesel de Origen petrolero obteniendo los siguientes resultados:

Fuente: Nacional Biodiesel Board - http://www.biodiesel.org

Como decíamos al inicio de este trabajo, para cumplir los objetivos establecidos en la Directiva y su transposición al derecho Español según El Art-8 del Real Decreto 61/2006 sin ninguna restricción sino que en el Plan Nacional de Energías Renovables (PER) aprobado en el 2006, establece alcanzar el 5,83%. Para ello es necesario que esos biocombustibles puedan ser consumidos por los vehículos actuales. Para ello es necesario que las mezclas formuladas cumplan las especificaciones europeas según EN-590 y EN-14214 para el Biodiesel y EN-228 para los Bioalcoholes.   

El aceite vegetal no modificado o "directo" (SVO), que a veces se denomina Aceite Vegetal Puro (Pure Plant Oil, PPO) (el término utilizado en la directiva de biocombustibles publicada por la Comisión Europea 2003/30/CE es "aceite vegetal puro de plantas oleaginosas"), es un aceite vegetal no modificado, como puede ser el aceite de colza, el aceite de semillas de mostaza, el aceite de pepitas de girasol, de palma, etc. En principio se podría utilizar la mayoría de los aceites disponibles en los supermercados. El SVO solamente tiene un rendimiento óptimo en los motores diesel modificados.

Diversos carteles publicitarios de WVO. Fuente: http://www.carm.es

El mercado alemán con SVO es, con mucho, el más desarrollado del mundo, con más del 95% de la flota de vehículos SVO de la Unión Europea registrados. Ello se debe, principalmente, a un grupo relativamente pequeño de entusiastas que han promocionado activamente el concepto y que han desarrollado los kits necesarios para modificar los motores y otras acciones que han fomentado el uso de estos combustibles.

La bibliografía científica sobre el comportamiento medioambiental de los vehículos de SVO es bastante limitada. Se presentaron algunos estudios hace 15 o 20 años, concluyendo en general que el aceite vegetal no era viable como combustible. La mayoría de estos estudios se realizó, sin embargo, con motores sin modificar y, como tales, no comparables con los modernos motores modificados.

La imagen que emerge de los ensayos con motores modificados indica que las emisiones de la mayoría de los contaminantes son algo menores en el caso de los SVO, pero hay una tendencia hacia emisiones iguales o ligeramente mayores de NOx y de partículas ultra finas. Sin embargo, como el azufre prácticamente no está presente en el combustible, los SVO deberían funcionar bien con sistemas de post-tratamiento de gases de escape, ofreciendo así mejoras importantes en las emisiones, en comparación con la norma actual. Está en curso un estudio en Alemania, para investigar estos temas en más detalle. Son datos extraídos de:

European Commission, Joint Research Centre, Institute for Prospective Technological Studies

Los Combustibles biosintéticos se obtienen a partir del biogás derivado de la biomasa, son aquellos que se elaboran a partir de la gasificación de la biomasa, lo que permite obtener un combustible de alta calidad.mediante el proceso Fisher-Tropsch, construyendo cadenas de polímeros a partir de las moléculas básicas del CO y H2. A través de este proceso se puede producir un amplio abanico de combustibles de gran calidad; sin embargo, es un proceso caro y muy novedoso.

El proceso de GTL no es un invento nuevo, ya que luego de la Segunda Guerra Mundial, las sanciones económicas impuestas impulsaron a los científicos alemanes a explorar formas de sintetizar el petróleo limpio proveniente de los abundantes recursos del carbón existentes en el país. Uno de los métodos éxitos fue el Proceso Fisher-Tropsch, desarrollado en 1923 por Franz Fisher y Hans Tropsch en el Instituto Kaiser- Wilhelm de Investigación del Carbón de Mülheim en Alemania. Con este proceso, era posible convertir el  metano obtenido de calentar el carbón en combustible diesel de alta calidad, aceite lubricante y ceras. La Figura siguiente muestra de manera simplificada el Proceso.  El gasóleo obtenido de este proceso tenía una combustión limpia y producía emisiones en cantidades insignificantes de partículas de azufre. Para 1945, 9 plantas alemanas producían combustibles líquidos sintéticos bajo esta tecnología.

Shell apuesta por hacerse verde en Qatar1. Fuente:.  (Shell Corporation)

 E-Diesel La mezcla etanol-diesel, mejor conocido como E-diesel, contiene etanol hasta el 15%. Comparado con el combustible gasóleo, el E-Diesel reduce perceptiblemente las emisiones de partículas y otros contaminantes y mejora las características del arranque en frío. Está actualmente en la etapa del desarrollo y no disponible comercialmente todavía. Varias empresas de investigación están trabajando para eliminar las principales barreras técnicas y reguladoras para su comercialización. Estas barreras incluyen: 1) Bajo punto de Inflamación y volatilidad en el tanque 2) posible inestabilidad de la micro-emulsión que evite que el etanol y el gasóleo se separen a bajas temperaturas; 3) carencia de los datos de pruebas reales para obtener la garantía del Original Equipment Manufacturer (OEM); y 4) un proceso costoso y largo que permita su registro de acuerdo con las normas sobre emisiones y la salud. El uso de E-diesel amplía aún más el mercado para las aplicaciones del etanol.

Mezclando un 8 % de etanol, menos de un 1 % de un aditivo adecuado y un 91 % de gasóleo, las reducciones de las emisiones típicas que se han publicado son:

• Reducción del humo visible de hasta un 70%
• Reducción de las emisiones de partículas (PM) de hasta un 40%
• Reducción de las emisiones de monóxido de carbono (CO) de hasta un 30%
• Reducción de las emisiones de monóxido de nitrógeno (NOx) de hasta un 6%.

Gracias a un proyecto financiado por el Ministerio español de Educación y Ciencia (Fit-120000-2004-108), Abengoa Bioenergy ha evaluado la formulación óptima de la mezcla, la compatibilidad de los materiales y el funcionamiento en motores en un centro español de investigación y desarrollo automovilístico (Cidaut), ensayando motores off-road y LDV.

También en enero del 2005 Abengoa Bioenergy se unió al consorcio del e-diesel de los EE.UU., que cuenta con la participación de una industria amplia y activa y del gobierno de los EE.UU.

Fuente: http://www.abengoabioenergy.com/research

Consumo en el año 2005 de Biodiesel y Biocombustibles. Fuente: Worldwach Institute

De los datos anteriores se deduce fácilmente que Europa se ha decantado por los Biodiesel y América  por los Bioalcoholes.

Plantas de colza (canola) durante la floración y semillas.
Fuente: The Canola Council of Canada

Fuente: Worldwach Institute

Recurrimos al estudio del experto argentino ingeniero Jorge Ugolini que determina la factibilidad técnica y económica del desarrollo del biodiesel y que hace una comparación entre las emisiones del biodiesel puro al 100% (B100), versus el B20, que es una mezcla del diesel de petróleo con 20% de biodiesel; combinamos sus conclusiones con las del estudio de la experta española Brenda Bär (Barcelona), que observa las emisiones de CO, HC, NOx, partículas, SO2 y CO2, y que termina indicando que el biodiesel es un combustible que no contiene azufre y que tiene unos niveles de emisión significativamente inferiores a los del gasóleo; y finalmente integrando las conclusiones del estudio del ministerio de industria, turismo y comercio de España que compara el gasóleo y el gas natural (GNV); se deduce que el gasóleo produce 73kg de CO2 por Gj (medida de energía), el GNV 57kg y el biodiesel 14kg. Es decir, el biodiesel emite 76% menos CO2 que el GNV. Generalmente se sostiene que emite la mitad (50%), aunque el análisis arroja que emite menos de la mitad.

Estación de Servicio en Barcelona con Biodiesel. Fuente: Petromiralles (www.petromiralles.com)