8 Proceso ucm de producción de biodiesel, materias primas alternativas, José Aracil Mira, Universidad complutense de Madrid.
jueves, 12 de julio de 2012
lunes, 9 de julio de 2012
¿Cuánto cuesta producir biodiesel?
Una
primera referencia puede ser la historia de las tratativas para implementar una
prueba piloto en la Argentina, en 1997, para lo cual se debían importar 10.000
galones de biodiesel. La cotización inicial de 3,19 U$S/galón (0,84 $/litro) no
pudo ser mantenida debido al incremento de precios del aceite de soja a emplear
como materia prima (mostrando el impacto significativo que tiene el costo de
materia prima sobre el precio de este biocombustible), y subió un 27%, hasta
4,06 U$S/galón (1,07 $/l), para el cargamento que llegó al puerto de Buenos
Aires en octubre de 1997.
Un enfoque más sistemático del costo de producción del biodiesel es el estudio de factibilidad que, en 1996, el INTA y la American Soybean Association realizaron para una planta elaboradora de biodiesel a partir de soja, asociada a una planta aceitera con una capacidad de molienda de 182.500 ton/año de soja, la que se destina en su totalidad a la producción de biocombustible líquido.
Resulta de esta manera una capacidad de producción de 33.000 ton/año de biodiesel, y se requiere una inversión de $ 6.000.000 para el montaje de la planta de proceso (independiente de la planta aceitera) cuya materia prima es el aceite y genera como coproductos, además del biodiesel, 3.400 ton/año de glicerina y 430 ton/año de ácidos grasos. Estos materiales se venden a 1,80 $/l y 0,50 $/l, respectivamente, generando un crédito de subproductos que permite bajar contablemente el costo de producción del biodiesel.
Este costo es muy sensible al de la materia prima principal (el aceite de soja en este caso). Si se toma el precio vigente a abril de 2000, 360 $/ton, resulta un costo de producción del biodiesel de soja de 0,42 $/l, que se eleva a 0,50 $/l al sumarle un 20% de ganancia comercial para la empresa elaboradora. Este precio de 0,50 $/l en la puerta de la planta es el que se utilizó antes para estimar el costo al público de B100 y B20. Si se toma el máximo histórico de cotización del aceite de soja -670 $/ton en mayo de 1998-, resulta un precio de biodiesel en puerta de planta de 0,95 $/l . Si se considera el mínimo histórico de cotización del aceite de soja -200 $/ton como promedio del año 1985-, resulta un precio de biodiesel en puerta de planta de 0,28 $/l. Esta gran dependencia respecto del costo de la materia prima puede entonces hacer oscilar el negocio entre: a) una competencia de precios en mercado libre para precios muy deprimidos del aceite; b) un requerimiento imprescindible de desgravación impositiva o de subsidio a los sectores de la demanda para compensar los mayores costos de combustible si se toman en cuenta los niveles actuales de precio, o c) la quiebra empresaria si se disparan los precios hacia los niveles de 1998.
Un enfoque más sistemático del costo de producción del biodiesel es el estudio de factibilidad que, en 1996, el INTA y la American Soybean Association realizaron para una planta elaboradora de biodiesel a partir de soja, asociada a una planta aceitera con una capacidad de molienda de 182.500 ton/año de soja, la que se destina en su totalidad a la producción de biocombustible líquido.
Resulta de esta manera una capacidad de producción de 33.000 ton/año de biodiesel, y se requiere una inversión de $ 6.000.000 para el montaje de la planta de proceso (independiente de la planta aceitera) cuya materia prima es el aceite y genera como coproductos, además del biodiesel, 3.400 ton/año de glicerina y 430 ton/año de ácidos grasos. Estos materiales se venden a 1,80 $/l y 0,50 $/l, respectivamente, generando un crédito de subproductos que permite bajar contablemente el costo de producción del biodiesel.
Este costo es muy sensible al de la materia prima principal (el aceite de soja en este caso). Si se toma el precio vigente a abril de 2000, 360 $/ton, resulta un costo de producción del biodiesel de soja de 0,42 $/l, que se eleva a 0,50 $/l al sumarle un 20% de ganancia comercial para la empresa elaboradora. Este precio de 0,50 $/l en la puerta de la planta es el que se utilizó antes para estimar el costo al público de B100 y B20. Si se toma el máximo histórico de cotización del aceite de soja -670 $/ton en mayo de 1998-, resulta un precio de biodiesel en puerta de planta de 0,95 $/l . Si se considera el mínimo histórico de cotización del aceite de soja -200 $/ton como promedio del año 1985-, resulta un precio de biodiesel en puerta de planta de 0,28 $/l. Esta gran dependencia respecto del costo de la materia prima puede entonces hacer oscilar el negocio entre: a) una competencia de precios en mercado libre para precios muy deprimidos del aceite; b) un requerimiento imprescindible de desgravación impositiva o de subsidio a los sectores de la demanda para compensar los mayores costos de combustible si se toman en cuenta los niveles actuales de precio, o c) la quiebra empresaria si se disparan los precios hacia los niveles de 1998.
En conclusión
general
Si bien el precio de la materia prima tiene un impacto sustancial sobre el costo de producción del biodiesel, otros factores a evaluar en un estudio de factibilidad más general deberían ser, desde el punto de vista del proceso: 1) los rendimientos a partir de otras oleaginosas; 2) el empleo, como materia prima, de aceites de elevada acidez que habitualmente no pueden ser comercializados, y por lo tanto tienen un costo mucho menor; 3) el diseño del proceso de manera que pueda aceptar indistintamente diversas materias primas con un rango mínimo de estandarización, de tal forma que se pueda optar por una u otra según los precios de mercado para usos alternativos; 4) las economías de escala que se pueden alcanzar con distintos tamaños de planta, las inversiones requeridas para desarrollar el sector; etc.
No menos importante para la consideración global del tema son las externalidades, tales como: la generación de empleo y la demanda de mano de obra (tanto industrial en forma directa, como rural y del sector "servicios" en forma indirecta); el impulso para la extensión de la frontera agropecuaria, inclusive sobre la base de tierras marginales que puedan sustentar cultivos denominados "agroenergéticos"; la explotación del concepto de biocombustible "limpio" desde el punto de vista ecológico, como argumento de exportación a países del primer mundo; la segmentación del mercado consumidor procurando definir nichos en los que se valoricen las ventajas competitivas del producto (por ejemplo, explotar la característica de excelente biodegradabilidad para ingresar al mercado de los combustibles náuticos usados en ríos, lagos y represas de los que se toma el agua potable), con el doble propósito de definir una estrategia de penetración y relativizar la desventaja comparativa de precios; etc.
Si bien el precio de la materia prima tiene un impacto sustancial sobre el costo de producción del biodiesel, otros factores a evaluar en un estudio de factibilidad más general deberían ser, desde el punto de vista del proceso: 1) los rendimientos a partir de otras oleaginosas; 2) el empleo, como materia prima, de aceites de elevada acidez que habitualmente no pueden ser comercializados, y por lo tanto tienen un costo mucho menor; 3) el diseño del proceso de manera que pueda aceptar indistintamente diversas materias primas con un rango mínimo de estandarización, de tal forma que se pueda optar por una u otra según los precios de mercado para usos alternativos; 4) las economías de escala que se pueden alcanzar con distintos tamaños de planta, las inversiones requeridas para desarrollar el sector; etc.
No menos importante para la consideración global del tema son las externalidades, tales como: la generación de empleo y la demanda de mano de obra (tanto industrial en forma directa, como rural y del sector "servicios" en forma indirecta); el impulso para la extensión de la frontera agropecuaria, inclusive sobre la base de tierras marginales que puedan sustentar cultivos denominados "agroenergéticos"; la explotación del concepto de biocombustible "limpio" desde el punto de vista ecológico, como argumento de exportación a países del primer mundo; la segmentación del mercado consumidor procurando definir nichos en los que se valoricen las ventajas competitivas del producto (por ejemplo, explotar la característica de excelente biodegradabilidad para ingresar al mercado de los combustibles náuticos usados en ríos, lagos y represas de los que se toma el agua potable), con el doble propósito de definir una estrategia de penetración y relativizar la desventaja comparativa de precios; etc.
Descripción química del biodiesel
La American Standard for Testing and Materials (ASTM) define el
biodiesel como una mezcla de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena
larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se
emplea en los motores de ignición de compresión (motores diesel) o en calderas
de calefacción.
Un éster monoalquílico es el producto de la reacción de un alcohol de
cadena abierta no
ramificada, tal como metanol o etanol,
con una grasa o un aceite (triglicéridos) para formar
glicerol (glicerina) y los esteres de
ácidos grasos de cadena larga, comúnmente definido como biodiesel. Los mayores
componentes de un aceite vegetal son los triglicéridos, también llamados
"triacilgliceroles" en el caso de grasa animal. Los triglicéridos son
ésteres de glicerol con ácidos de cadena larga, llamados usualmente ácidos
grasos.
El proceso de fabricación de biodiesel convierte la casi totalidad del
aceite directamente en éster. Así que el balance en masa aproximativo de
producción de biodiesel se puede predecir:
Aceite [100kgs] + metanol [10kgs]à
biodiesel [100kgs] + glicerol [10kgs]
Existen fundamentalmente cuatro etapas importantes en esta fabricación
que son la extracción del aceite, la refinación del aceite, la producción del
biodiesel y su refinación y por fin el tratamiento de la glicerina y del
metanol.
SUBPRODUCTOS
El principal
subproducto del proceso del biodiesel es la glicerina. Los otros subproductos
que se obtienen de la reacción y el refinamiento del biodiesel son: el agua con
jabón, el metanol y los ácidos grasos libres (AGL). A continuación se explican
las posibles aplicaciones de cada subproducto.
Glicerina
La glicerina (glicerol
o glicol) es la cadena de 3 alcoholes más simple. Esta aparece cuando los
triglicéridos de los aceites vegetales se rompen en ácidos grasos libres y la
molécula de la glicerina. Los ácidos grasos reaccionan con el metanol para
formar el biodiesel. La glicerina es un líquido muy viscoso y de densidad alta
(1,26 Kg/l). El nombre proviene de la palabra griega glykys que significa “dulce”.
La cantidad de
glicerina que se forma en la reacción depende de la cantidad de AGL que tiene
el aceite que se usa en el proceso. Esta varía entre un 10% y 30% de la
cantidad de dicho aceite utilizado.
Separar la glicerina del biodiesel
Dado que el biodiesel
tiene una menor densidad que la glicerina, siempre va a quedar encima de esta.
El separado de la glicerina se puede hacer fácilmente drenando esta por la
parte inferior tanque después de dejar el tiempo suficiente para que se
sedimente, normalmente 8 horas. En un proceso continuo la glicerina sería
separada por centrifugación, basado en la diferencia de densidades.
Purificación de la glicerina
La glicerina en estado
puro es incolora, inodora y sabe dulce. Evite probar el gusto de la glicerina
proveniente del biodiesel debido a que nunca es pura, especialmente cuando la
glicerina viene del aceite de Jatropha[1],
con relativamente alto contenido en AGL. En resumen, puede contener metanol o
etanol, lejía (hidróxido de potasio o
hidróxido de sodio), agua, residuos de jabón, biodiesel, AGL y triglicéridos,
digliceridos o monogliceridos sin reaccionar. La mayoría de estos residuos
están disueltos en el metanol y pueden ser separados de la glicerina por
filtración, una vez que el metanol está
destilado. Algunos tienen que ser neutralizados con ácidos y separados
por gravedad.
Para conseguir una
glicerina 100% pura, ésta debe ser destilada. No obstante, es un proceso muy
costoso ya que el punto de ebullición de la glicerina es 290°C. Este coste
normalmente no es rentable a menos que se haga a escala industrial.
Aplicaciones prácticas
de la glicerina del biodiesel
Las aplicaciones de la
glicerina pura se centran en la industria química y farmacéutica. La glicerina
cruda es mejor aplicarla para usos más prácticos, descritos a continuación.
Jabón
El jabón puede
producirse por la saponificación de las grasas o con los ácidos grasos y un
álcali. El producto final se debe usar con agua para conseguir su efecto
limpiador. La glicerina contiene AGL que pueden convertirse en jabón. La
presencia de la glicerina hace que el jabón sea más suave e hidrate le piel.
Durante el proceso de saponificación, se debe usar el mismo álcali que se usó
en el proceso de transesterificación. El hidróxido de sodio (NaOH) dará al
jabón una consistencia sólida, mientras que el hidróxido de potasio (KOH) lo
hace líquido. Antes de usar el jabón de la glicerina, el alcohol (metanol o
etanol) debe destilarse completamente, sobretodo en el caso del metanol, ya que
es altamente tóxico y es un combustible con un punto de inflamabilidad muy
bajo, lo que lo hace muy susceptible de ser inhalado por accidente. Entonces,
dependiendo de la cantidad de AGL, se determinará la cantidad de álcali a usar
(normalmente entre 40 y 80 gramos por litro de glicerina). La cantidad de agua
a añadir es normalmente de un 40% de la cantidad de glicerina. Más agua hará el
jabón más líquido. Más cantidad de álcali hará que sea un jabón más corrosivo.
Primeramente se disolverá el álcali en el agua. Hay que tener cuidado porque el
hidróxido de sodio (NaOH) y el hidróxido de potasio (KOH) son substancias
corrosivas. Después se añade la disolución a la glicerina y se mezcla durante
20 minutos. Se deja reposar durante 3 semanas agitándolo diariamente. En el
caso de estar usando glicerina purificada, se pueden añadir colorantes y
aromas. Se pueden usar cantidades industriales del jabón de glicerina cruda en
sectores como el lavado de coches o trabajos mecánicos.
Estiércol orgánico
La glicerina está
reivindicada como un excelente fertilizante. Pero ¿es eso verdad? La
composición química de la glicerina depende indirectamente de la calidad del
aceite y de la cantidad de químicos añadidos en el proceso de
transesterificación. Los residuos de alcohol, si son de metanol, deben ser
destilados antes de usar la glicerina como fertilizante orgánico para prevenir
problemas en la salud humana. Sin embargo, el metanol es biodegradable, y se
supone que se evapora rápidamente en el suelo y el agua. Dicho producto muestra
gran movilidad en el suelo y se degrada del ambiente por la reacción que tiene
con los radicales hidroxilos foto químicamente, y que tienen una vida media de
17.8 días. Puede ser peligroso para la vida acuática en altas concentraciones. También
son biodegradables los AGL y la glicerina pura. El potasio (K) es uno de los
principales elementos para el crecimiento de las plantas, y el sodio (Na) se
necesita para el control de la humedad en las células, en una menor cantidad.
Dado que la composición de los nutrientes debe estar en equilibrio con las necesidades
de la planta, la glicerina del biodiesel sólo puede servir como fertilizante
adicional. Además, productos más valiosos económicamente se pueden producir de
la glicerina, lo que hace que no sea tan interesante su uso como fertilizante.
Biogás
La glicerina también
puede ser usada como componente
adicional en la producción de biogás. El biogás es producido por digestión
anaeróbica. Junto con el estiércol fresco de ganado, está demostrado que la
glicerina es un ingrediente digerible en composiciones tales como 5% de
glicerina, 35% de estiércol de ganado y 60% de agua. Es necesaria más
investigación para optimizar este proceso de digestión. Cuidado con añadir
pasto dado que se digiere muy lentamente y puede taponar el reactor.
Combustible
La manera más fácil de
librarse de la bio-glicerina es
quemándola. Sin embargo, no hay dispositivos eficientes para la quema
directa de la glicerina cruda. La alta viscosidad hace que sea una sustancia
difícil de utilizar en sprays y mechas.
Mezclado con serrín (16MJ/Kg) se pueden formar briquetas, pero se necesitan
hornos especiales, dado que una temperatura de combustión baja provoca la emisión de gases tóxicos como la acroleína.
A mayor escala, los
generadores Calor y Potencia Combinada (CHP en inglés) se pueden considerar
para la generación de electricidad. De todas maneras, un vehículo adaptado para
aceite vegetal puro (PPO en inglés) podría ser capaz de funcionar con glicerina
pura en combinación con PPO o (bio) diesel. Se debe tener cuidado porque la glicerina
sin refinar contiene cenizas y no puede ser utilizada en motores. En grandes
motores diesel, como los marinos, o en generadores de vapor, sí que podría usarse la glicerina para
producir electricidad y vapor.
MATERIAS PRIMAS
Se puede decir que la producción de biodiesel tiende a provenir mayoritariamente de
los aceites extraídos de plantas oleaginosas, especialmente girasol, soja y maíz. Sin embargo,
cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la
producción de biodiesel (girasol, maíz, soja, aceites de fritura usado, sebo de
vaca, grasa de pollo y de pescado, etc).
A continuación se detallan las principales materias
primas para la elaboración de biodiesel:
Se puede decir que la producción de biodiesel tiende a provenir mayoritariamente de
los aceites extraídos de plantas oleaginosas, especialmente girasol, soja y maíz. Sin embargo,
cualquier materia que contenga triglicéridos puede utilizarse para la
producción de biodiesel (girasol, maíz, soja, aceites de fritura usado, sebo de
vaca, grasa de pollo y de pescado, etc).
A continuación se detallan las principales materias
primas para la elaboración de biodiesel:
Aceites vegetales convencionales
Las materias
primas utilizadas convencionalmente en la producción de biodiesel han sido los
aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la canola (Europa), la soja
(Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites de frutos oleaginosos
como la palma (Malasia e Indonesia). Por razones climatológicas, la canola
(Brassica napus) se produce principalmente en el norte de Europa y el girasol
(Helianthus annuus) en los países mediterráneos del sur, como España o Italia.
La utilización de estos aceites para producir biodiesel en Europa ha estado
asociada a las regulaciones de retirada obligatoria de tierras de la Política
Agraria Común (PAC) que permite el cultivo de semillas oleaginosas a precios razonables.
Sin embargo, la dedicación de sólo las tierras de retirada para la producción
de materias primas energéticas supone un riesgo por cuanto estas superficies
varían en el tiempo, ya que el régimen de retirada de tierras depende de la
oferta y la demanda de cereales alimentarios, lo que implica que este índice
está sujeto a alteraciones. En España, el uso de cultivos tradicionales como
energéticos está condicionado además por la producción del aceite, ya que la
producción media por hectárea de aceite de girasol resulta poco atractivo,
desde el punto de vista del agricultor, para elegir este cultivo como fuente de
obtención de biocarburantes.
Aceites vegetales modificados genéticamente
Los aceites y las grasas se diferencian principalmente en su contenido en ácidos grasos. Los aceites con proporciones altas de ácidos grasos insaturados, como el aceite de girasol o de Camelina sativa, mejoran la operatividad del biodiesel a bajas temperaturas, pero disminuyen su estabilidad a la oxidación, que se traduce en un índice de yodo elevado. Por este motivo, se pueden tener en consideración, como materias primas para producir biodiesel, los aceites con elevado contenido en insaturaciones, que han sido modificados genéticamente para reducir esta proporción, como el aceite de girasol de alto oleico.
Aceites de fritura usados
El aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores perspectivas en la producción de biodiesel, ya que es la materia prima más barata, y con su utilización se evitan los costes de tratamiento como residuo. Además, como valor añadido, la utilización de aceites usados significa la buena gestión y uso del residuo.
El informe
sobre el marco regulatorio de los carburantes propone reciclar aceite de
fritura en biodiesel. Esta alternativa es la que más ventajas tiene porque
además de producir combustible elimina un residuo contaminante como es el
aceite usado. Este aceite da problemas al depurar el agua; sin embargo, su
recogida es problemática. La Comisión Europea propone que el Ministerio de Medio
Ambiente y los
Ayuntamientos creen un sistema de recogida de aceite frito, oleínas y grasas en
tres etapas: industrial, hostelería y doméstica.
La utilización
de aceites usados presenta dificultades logísticas, no sólo por su recogida,
como se ha dicho, sino también por su control y trazabilidad debido a su
carácter de residuo. En el caso español, dicha recogida no está siendo
promovida enérgicamente por la Administración pese a que la Ley 10/98 de
Residuos establece la prohibición de verter aceites usados, lo cual es un
incentivo más para su utilización en la fabricación de biodiesel.
Grasas animales
Además de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como materia prima de la transesterificación para obtener biodiesel. El sebo tiene diferentes grados de calidad respecto a su utilización en la alimentación, empleándose los de peor calidad en la formulación de los alimentos de animales. La aplicación de grasas animales surgió a raíz de la prohibición de su utilización en la producción de piensos, como salida para los mismos como subproducto. Sin embargo, actualmente no existe un nivel de aplicación industrial en España.
Aceites de otras fuentes
Por otra parte, es interesante señalar la producción de lípidos de composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos microbianos, a partir de algas, bacterias y hongos, así como a partir de micro algas.
Por último, cabe destacar que está en estudio la utilización de bioetanol y biometanol en el proceso de esterificación de dichos aceites para la producción de biodiesel, al igual que el desarrollo de cultivos específicos para fines energéticos, no alimentarios.
QUE ES EL BIODIESEL:
El biodiesel es un biocarburante líquido producido a
partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo el maíz, el girasol y
la soja las materias primas más utilizadas para este fin. Las propiedades del
biodiesel son prácticamente las mismas que las del gasoil de automoción en
cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación
superior. Por todo ello, el biodiesel puede mezclarse con el gasoil para su uso
en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan éstos convenientemente. La
Agencia de Protección Ambiental (EPA/EE.UU.) lo tiene registrado para
utilización como combustible puro (100% de biodiesel, o B100), como mezcla-base
(con 20% de biodiesel y el resto de gasoil, B20), o como aditivo de
combustibles derivados del petróleo en proporciones del 1 al 5%.