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
