Biomasa y biocombustibles: tipos, aplicaciones y producción de biodiesel y bioetanol

y 14: Biomasa y biocombustibles

2. Definición de biomasa

Sentido amplio: cualquier tipo de materia orgánica de origen biológico, biomasa vegetal y animal.

• Ecología: materia orgánica total presente en un determinado ecosistema.
• Microbiología industrial: cantidad de microorganismos presentes en un fermentador o producto en un cultivo.
• Energía: productos energéticos y materias primas de origen renovable que se originan a partir de materia orgánica formada por vía biológica.

Dependiendo de cómo se produce

• Biomasa primaria: materia orgánica formada directamente a través de la fotosíntesis (algas, plantas verdes, residuos agrícolas y forestales).
• Biomasa de 2.ª generación: producida por seres heterótrofos que se alimentan de biomasa de 1.ª (animales herbívoros y sus residuos).
• Biomasa de 3.ª generación: producida por los seres que se alimentan de biomasa de 2.ª (animales carnívoros y sus residuos).

Biocombustible (genérico)

Productos de la biomasa que se emplean con fines energéticos: gaseosos (aplicaciones térmicas, eléctricas, transporte), líquidos (transporte) y sólidos (aplicaciones térmicas, eléctricas).

Según la UE

• Biocombustible: productos energéticos de origen biológico que se utilizan para aplicaciones térmicas y eléctricas (combustibles sólidos).
• Biocarburante: productos energéticos de origen biológico que se utilizan en motores térmicos (combustibles líquidos).

3. Tipos de biomasa

• Biomasa natural: producida sin intervención humana.
• Biomasa residual: residuos de las actividades humanas (forestales, agrícolas, ganaderos, industriales, urbanos).
• Excedentes agrícolas: excedentes de producción alimentaria.
• Cultivos energéticos: cultivos cuyo fin es obtener biomasa energética (caña de azúcar, maíz, colza, etc.).

4. Biomasa como combustible

• Propiedades muy heterogéneas.
• Baja densidad energética.
• ↓ Contenido en cenizas que el carbono.
• ↑ Contenido en K, Ca y Cl.
• Emisión de partículas, CO e inquemados de HC aromáticos policíclicos.

5. Aplicaciones energéticas

Producción de biomasa sólida mediante métodos mecánicos

Se obtienen biocombustibles sólidos (leñas, astillas, briquetas, pélets, serrín) con aplicaciones en calefacción y electricidad.

• Materia prima: biomasa de origen agrícola (residuos y biomasa de cultivos), biomasa de origen forestal (residuos), biomasa de origen industrial (residuos de diferentes industrias).
• Operaciones: recolección, transporte, almacenamiento, secado, astillado (trituración), molienda y densificación (compactación).

Producción de biodiesel: métodos termoquímicos

Incluyen la extracción (del aceite) y una reacción química. El biodiesel es un éster metílico producido a partir de un aceite vegetal o animal, de calidad similar al gasóleo, para su uso como biocarburante. La utilización directa de aceites vegetales es inviable, por lo que hay que rebajar su viscosidad mediante procesos químicos.

Aplicaciones: sustituto del combustible diésel (automoción y calefacción).

Reacciones

1. Reacción de transesterificación de aceites vegetales: triglicérido + 3 metanol ↔ 3 éster metílico (biodiesel) + glicerina. Se necesita un catalizador:
   • Homogéneo (líquido): bases (las más rápidas y manejables de todos) y ácidos (difícil separación).
   • Heterogéneo (distinta fase, más fácil de separar): bases, ácidos y enzimáticos.
2. Reacción de esterificación de ácidos grasos: ácido graso + metanol → éster metílico + agua. Se usan catalizadores homogéneos (ácidos) y heterogéneos (ácidos y enzimáticos), no catalizadores básicos porque producen saponificación.

Los catalizadores homogéneos básicos (hidróxidos: NaOH, KOH; y metóxidos: CH3ONa) ayudan a elevar la pureza del biodiesel en condiciones de operación moderadas y a velocidades de reacción altas. Presentan rendimientos bajos en aceites con alto contenido en ácidos grasos, dificultad en la separación del catalizador y posibilidad de reacciones secundarias:

• Saponificación (solo hidróxidos): triglicérido + hidróxido potásico ↔ jabón potásico + glicerina.
• Neutralización (aceites con ↑ contenido en ácidos grasos): ácidos grasos + hidróxido potásico → jabón potásico + agua.

Materias primas

• Aceites vegetales alimentarios: colza, soja, girasol.
• Aceites vegetales modificados: girasol alto oleico.
• Aceites vegetales alternativos.
• Grasas vegetales y sebos.
• Aceites y grasas usadas: hostelería e industria.
• Otros aceites: microorganismos y microalgas.
• Ácidos grasos: refino de aceites.
• Alcoholes: metanol y etanol.

Producción de bioetanol: proceso biológico

Obtención de biocarburantes:

• Bioetanol: alcohol etílico obtenido por fermentación de materias ricas en azúcares.
• ETBE (etil-terc-butil-éter): se obtiene en las refinerías de petróleo a partir de bioetanol e isobuteno.

Ambos se usan en motores de gasolina.

Utilización de etanol hidratado (96 %, utilizado como combustible único)

• Relación de compresión más alta.
• Ajuste del carburador adaptado a la relación estequiométrica aire/combustible (9,0/1 para etanol, 15,2/1 para gasolina).
• Sistema de bujías capaces de soportar mayor presión y temperatura.
• Dispositivo para facilitar el arranque en frío (mayor calor latente de vaporización).
• Materiales resistentes a la corrosión.

Utilización de etanol puro (99,6 %, mezclado con gasolina)

• Octanaje de la mezcla muy variable, dependiendo de otros componentes presentes.
• Mayor volatilidad de la gasolina (forma azeótropos con muchos HC).
• Avidez por el agua, poder disolvente y corrosividad (arrastre de "gomas" y suciedad; incompatible con algunos materiales).

Utilización de ETBE como combustible (aditivo de la gasolina)

• Miscible con la gasolina en todas las condiciones.
• No aumenta la volatilidad.
• Mayor poder calorífico y relación estequiométrica más próxima a la de la gasolina.
• Muy baja solubilidad en agua.
• Poder corrosivo mucho menor que el de los alcoholes.
• Puede producirse en las plantas actuales de MTBE.
• Mejora el índice de octano (11 % de ETBE aporta 1,4 puntos en el I.O.), reduce consumos, mejora prestaciones y reduce contaminantes.