Los problemas del biodiésel: diferenciación química con el petrodiésel

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Queridos lectores,

He aquí el primer post sobre los problemas prácticos de usar biodiésel en nuestros motores actuales. Escrito por un ingeniero químico con décadas de experiencia, es un post muy técnico pero también muy clarificador de un problema poco abordado: el de la imperfecta sustitutibilidad del diésel convencional (petrodiésel) por biodiésel.

Salu2,

AMT

 

Cuando pienso en biodiésel, me viene a la memoria la frase “Nada nuevo bajo el Sol”, y es que ya en el año 1893 el ingeniero alemán Rudolf Diesel hizo funcionar por primera vez un motor monocilíndrico alimentado nada menos que con aceite de cacahuete. 

 

Su visión de futuro era pasmosa ya que en un discurso de 1912 dijo: “el uso de aceites vegetales como combustible para motores puede parecer insignificante hoy, pero con el paso del tiempo será importante como sustituto del petróleo y del carbón”.

A pesar de este inicio, los aceites vegetales fueron sustituidos rápidamente por hidrocarburos obtenidos de la destilación del petróleo por su menor coste y mejores propiedades y ventajas técnicas. La fracción del petróleo usada como combustible para los motores diésel, es la que llamamos diésel (gas-oil , gasóleo) en honor al inventor del motor.

A raíz de la crisis del petróleo de los años 70 del siglo pasado,se retomó de nuevo el uso de aceites vegetales como punto de partida para desarrollar carburantes de motores diésel. 

 

Los problemas a resolver que producía el uso directo de los aceites vegetales como combustibles en motores diésel se había visto que eran principalmente :

• Alta viscosidad (dificulta la pulverización en la cámara de combustión)
• Baja Volatilidad (dificulta la formación de mezcla aire-combustible)
• Temperatura de gelificación alta ( en invierno se forman geles por debajo de 10-15ºC)
• Combustión incompleta con tendencia a formar residuos carbonosos y polímeros gomosos en las cámaras de combustión

Estos problemas son debidos a que los aceites vegetales son químicamente Triglicéridos, esto es, ésteres de distintos ácidos grasos y de glicerol ó glicerina (propanotriol).

Cada molécula consta de tres ácidos grasos que pueden ser iguales o distintos y una molécula de glicerol, el elevado peso molecular es el responsable de la baja volatilidad y la alta viscosidad. 

 

Los ácidos grasos, de los aceites son principalmente hidrocarburos lineales con cadenas desde C4 hasta C30 y terminados en un grupo ácido. Las cadenas pueden ser saturadas (p.e. Acido Estearico) e insaturadas con uno (p.e. Oleico), dos (p.e. Linoleico) y hasta tres dobles enlaces (p.e. Linolénico).

Los ácidos grasos al tener mucha similitud con los hidrocarburos constituyentes del diésel del petróleo (petrodiésel), se pensó que separándolos de la glicerina y cambiando ésta por un monoalcohol de cadena corta (Metanol, Etanol) tendrían un comportamiento muy parecido al petrodiésel.

Así se desarrollaron los Biodiésel, el proceso más empleado hasta ahora para su fabricación es el de la Transesterificación en el que se rompe el triéster ácido-glicerina y se sustituye ésta por un monoalcohol (Metanol, Etanol) en presencia de un catalizador normalmente un álcali fuerte (Sosa, Potasa) el resultado es la formación de tres moléculas de Ester (Metílico-Etílico) y una de glicerina.  

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Para favorecer el rendimiento de la reacción, se debe utilizar un exceso de alcohol sobre el estequiométrico y hacer la reacción en caliente casi al punto de ebullición del alcohol. 

 

Aún así al final quedan cierta cantidad de Triglicéridos sin reaccionar, Diglicéridos (sólo se desplaza un ácido), Monoglicéridos (sólo se desplazan dos ácidos) junto con la glicerina, el exceso de alcohol, los restos de catalizador y los ésteres.

La reacción debe estar lo más exenta posible de humedad pues la presencia de agua provoca la formación de jabones sódicos o potásicos de los ácidos grasos. 

 

Para evitar al máximo la formación de Mono y diglicéridos cuanto más corta es la cadena del alcohol mejor rendimiento se obtiene al ser menor el impedimento estérico frente al triglicérido, por esto el alcohol más empleado es el Metanol.

Después de la reacción debe procederse a las operaciones de separación de todas las impurezas y subproductos de la reacción, una microfiltración y la adición de aditivos para mejorar propiedades de viscosidad, punto de congelación y antioxidantes. Debe almacenarse en lugares muy secos y en depósitos expresamente diseñados para este tipo de combustible.

Los ésteres metílicos de ácidos grasos, al contener en su molécula dos átomos de oxígeno y en las cadenas del ácido graso dobles enlaces (insaturación) tienen un comportamiento muy distinto de los hidrocarburos del petrodiésel.

La presencia de oxígeno, le da un carácter más polar y por ello una mayor viscosidad , una mayor densidad, un punto de gelificación a mayor temperatura, menor poder energético por unidad de volumen (un 7%) , mayor formación de óxidos nitrosos en la combustión, mayor propensión a formar compuestos ácidos , mayor poder disolvente atacando y ablandando las juntas y gomas en contacto. En depósitos de vehículos que sólo han contenido petrodiésel, al poner biodiésel, se disuelven todas las impurezas que había en los fondos y conductos, obturando filtros e inyectores. Es más higroscópico y absorbe humedad ambiental.

El doble enlace es propenso a la oxidación, se forman peróxidos y compuestos ácidos, provocando la formación de polímeros y lacas en la cámara de combustión y corrosión en metales blandos (cobre, estaño, etc). 

 

Como se oxida más fácilmente, el tiempo de vida del biodiésel es limitado y aunque se conserve en depósitos adecuados y se añadan aditivos, no dura más allá de unos 6 - 10 meses.

Otro grave inconveniente es que en presencia de humedad, se forman fácilmente colonias de bacterias anaeróbicas precipitando sedimentos gomosos en los fondos de depósitos y en las conducciones, obturando fácilmente los filtros.

Como ventajas tienen mayor poder de lubricación y una menor formación de monóxido de carbono ( CO ) en la combustión, una menor emisión de hidrocarburos libres y de compuestos aromáticos y cicloalifáticos. Menor formación de micropartículas carbonosas en los gases de escape y prácticamente exento de azufre. Mayor biodegradabilidad.

Un buen poder detonante, pues tiene un alto Indice de Cetano (Hidrocarburo C16) que equivaldría en diésel al Indice de Octano en el caso de la gasolina

Los Esteres Metílicos de Acidos Grasos ó FAME por sus siglas en ingés (Fatty Acid Methyl Ester) pueden usarse sólos (100%) el llamado gasoil tipo “B100” en algunos vehículos industriales ó en mezclas con el diésel del petróleo. Normalmente se está usando con un 5% (gasoil tipo “B5”)

Los aceites más usados como fuente del biodiésel son los de colza y girasol en países de clima templado (Europa) aceite de soja y Aceite de Palma en los países tropicales.

Los rendimientos medios en aceite elaborado son:

Aceite de Colza: 954 Lt/Ha

Aceite de Soja : 922 “

Aceite de Girasol: 767 “

Aceite de Palma: 4.570 “

Se está trabajando intensamente en intentar obtener Aceites a partir del cultivo de algas microscópicas, pero aún no se ha pasado de la fase de Planta Piloto.

Aparte del método de la transesterificación, hay otros métodos de modificar los aceites tanto vegetales como animales que permiten obtener hidrocarburos de distinta composición susceptibles de usarse como combustibles en motores diésel, pero todos son más consumidores de energía que el descrito. 

 

Por ejemplo, para evitar los problemas de la insaturación y además seleccionar los ácidos grasos con la cadena que consideremos óptima para dar un buen rendimiento y un alto índice de cetano, podríamos por ejemplo destilar los FAME en una torre a alto vacío y seleccionar el intervalo de destilación óptimo para motores diésel, ó se podría hacer la hidrólisis ácida o alcalina de los aceites y separar los ácidos grasos obtenidos, destilarlos y esterificarlos luego a gusto. 

 

Para evitar la oxidación se podrían hidrogenar los ácidos grasos insaturados.

Se han hecho ensayos de "cracking" de los aceites como si se tratara de petróleo , pero se obtiene una nube de moléculas no deseables aparte de bajo rendimiento en hidrocarburos que hace inviable su separación.

Cualquiera de estos procesos, consume una cantidad de energía "obscena", en calefacción, refrigeración, agitación, filtración, evaporación, tratamiento de efluentes líquidos, gaseosos , sólidos, etc.

Hay que mencionar también que el Metanol se obtiene a partir del gas natural por combustión parcial en presencia de agua (gas de síntesis) a alta temperatura y presión y con catalizadores especiales de cobre.

Químicamente, por poderse hacer se puede hacer lo que se quiera, otra cosa es el coste prohibitivo energético de cualquier manipulación además de la cantidad de subproductos contaminantes.

Pero, si contemplamos el Biodiésel como carrier de energía para uso en vehículos especiales, ambulancias, policía, tractores agrícolas, etc, se puede asumir la baja TRE actual de los biodiésel y su coste. 

Teniendo en cuenta que el consumo mundial de Petrodiésel en 2007 fué de 1.157 MMTn y asumiendo un rendimiento medio de producción de Aceites de 1 Tn/Ha para producir el Aceite necesario para transformarlo en Biodiésel consumido durante este año, harían falta unas 1200 MM Ha .

Aquí es donde se ve ya el absurdo de creer que se pueda mantener el consumo actual de gasoil sustituyéndolo por biodiésel. Si consideramos toda la energía consumida en el cultivo y recolección de las semillas junto con los abonos e insecticidas y herbicidas, y luego toda la energía consumida en el proceso de obtención de los FAME veremos que la tasa de retorno energético (TRE) como mucho es de 2 -3, muy por debajo de lo admisible como renovable de 10.

Superficie cultivable. El planeta se calcula que tiene unas 5.017 MMHa de tierra cultivable, el 38,5% de la superficie terrestre, de los cuales los pastos se llevan la mayor parte, por lo que se calcula que queda para usos agrícolas menos de un tercio, 1.530 MMHa solamente, es decir, 0,22 hectáreas para cada uno de los 7.000 millones de habitantes; y esta superficie está disminuyendo cada año por el cambio climático y el incremento de la desertización y otras causas.

Energía primaria. El consumo en 2006 fue de 11.500 Mtpe (millones de toneladas de petróleo equivalente) con el 33% de petróleo; 21% gas natural; 26% carbón y lejos del 1% de energía solar y eólica.

Cereales. La producción mundial en 2006 fue de 1.995 Mt (millones de toneladas) de las que 598 fueron de trigo, 30%; de maíz 693, 35%; de arroz 420, 21%; y los restantes 284 Mt de mijo, sorgo y otros. La alimentación humana consumió el 48%, los usos industriales el 29% y el 23% restante fue para alimentación animal.

Oleaginosas. La producción de estas semillas en 2006 fue de 390 Mt, siendo de soja 219, (56%); de colza 49, (13%); de semillas de algodón 42; de girasol 30 y los 50 Mt restantes de otras semillas menos conocidas.

Biocombustibles. Sumando los cereales y oleaginosas disponemos de 2.385 Mt de las que se calcula que podremos obtener el 20% de etanol o biodiésel, apenas 500 Mt, es decir, un teórico 4% de la energía que actualmente se consume. Y eso suponiendo que las personas no empleáramos el 48% en la alimentación, aparte de la alimentación animal y las necesidades industriales.

Pero si consideramos que de esta producción de grano -cereal u oleaginosas- la mitad está destinada al consumo humano, el resto sólo llegaría para cubrir el 2% de las actuales necesidades energéticas mundiales.

La agricultura actual, está basada en altísimos consumos de energía fósil en sus distintas operaciones: preparación, arado, siembra, abonos, riego, insecticidas, cosechado, transporte, almacenaje y un largo etcétera que ahora se quiere sustituir con los biocombustibles.

Además este modelo agrícola es deficitario en cuanto al rendimiento energético, es decir, que para obtener una unidad de energía -una caloría- se gastan más de 10 en las labores, transportes y manipulaciones de esta agricultura forzada e industrial.

La energía de los combustibles se basa en la diferencia de energía potencial del enlace, generalmente Carbono-Hidrógeno  respecto a la energía potencial del enlace una vez oxidado ,CO2 y H2O . Por esto, para conseguir moléculas con alto potencial de enlace químico, hace falta aportar una cantidad de energía muy superior a la diferencia de energías de enlace , o sea que todo lo que sea manipular enlaces químicos comporta un consumo de energía muy alto. 

Otra cosa es la sabia Naturaleza que mediante el CO2 de la atmósfera, el H2O de lluvia, y iones metálicos de los suelos y el maravilloso catalizador Clorofila de las plantas, mediante la energía de los fotones captados de la luz solar, es capaz de romper los enlaces O=C=O y H-O-H para formar cadenas hidrocarbonadas  CH3-CH2-CH2- .... n,  con grupos funcionales , ácido, éster, alcohol, cetona, aldehído, incorporación a la molécula de N, S, etc. y con estas piezas del mecano y con el resto de enzimas construir la complejidad de los seres vivos. La energía de los fotones solares acumulada en estos enlaces es la que después se libera cuando se oxidan - combustión- y vuelven a la estabilidad química de los componentes de partida . Es el típico ejemplo de la montaña y el valle, el enlace C-H está en la cima de la montaña, y una vez liberada su energía potencial en la oxidación, regresa al valle donde se encuentra más a gusto ( ley del mínimo energético)

Al final, la agricultura no es más que el resultado de la fotosíntesis -sol, agua y nutrientes- que cada año dan las cosechas. La colza, la soja la palma,etc. hacen su función a su aire y por más que queramos no podremos multiplicar ni acelerar su producción por un factor de un millón pues, la energía fósil -petróleo, gas natural y carbón- que suma el 80% de la energía mundial consumida tiene el mismo origen, pero es el resultado de la fotosíntesis producida y acumulada a lo largo de cientos de millones de años.

En cien años, hemos consumido lo que la naturaleza ha acumulado en 100 millones, o sea cada año “gastamos” el capital energético acumulado durante ¡ 1 millón de años ! y ahora pretendemos que la Naturaleza se acelere 1 millón de veces, para continuar gastando lo mismo en el BAU absurdo actual.

Cualquier cultivo tiene un rendimiento que está determinado por la naturaleza y que podemos modificar pero aportando previamente los incrementos energéticos que deseamos obtener y así, para obtener mejores cosechas será necesario un esfuerzo energético que hasta ahora ha sido a costa de la "inagotable" energía fósil. Amenazada esta energía que hasta ahora nos ha salvado,en su declive imparable una vez pasado el Peak Oil, se pretende sustituirla por unos productos agrícolas: cereales y semillas oleaginosas que precisamente se están obteniendo con la energía fósil a la que se pretende sustituir; además de la degradación medioambiental que implica todo este proceso, agotamiento de nutrientes, suelos y de agua, cerrando así el círculo de lo imposible.

Quizá lo que deberíamos investigar es mejorar el diseño original del Sr Diésel para usar aceites directamente en los motores, nos evitaríamos manipular químicamente el aceite, aunque el problema energético continuaría siendo el mismo. No podemos acelerar el proceso de fotosíntesis y el suelo disponible para el cultivo es limitado e impensable para mantener el BAU actual.

Armand