El combustible de algas , el biocombustible de algas o el aceite de algas es una alternativa a los combustibles fósiles líquidos que utiliza las algas como fuente de aceites ricos en energía. Además, los combustibles de algas son una alternativa a las fuentes de biocombustibles comúnmente conocidas, como el maíz y la caña de azúcar. [1] [2] Cuando se elabora a partir de algas (macroalgas), se le puede conocer como combustible de algas o aceite de algas .
En diciembre de 2022, ExxonMobil , la última gran petrolera que invirtió en biocombustibles de algas, puso fin a su financiación de la investigación. [3]
En 1942, Harder y Von Witsch fueron los primeros en proponer el cultivo de microalgas como fuente de lípidos como alimento o combustible. [4] [5] Después de la Segunda Guerra Mundial, se iniciaron investigaciones en los EE. UU., [6] [7] [8] Alemania, [9] Japón, [10] Inglaterra, [11] e Israel [12] sobre técnicas de cultivo y Sistemas de ingeniería para el cultivo de microalgas a mayor escala, particularmente especies del género Chlorella . Mientras tanto, HG Aach demostró que se podía inducir a Chlorella pyrenoidosa mediante la falta de nitrógeno para que acumulara hasta el 70% de su peso seco en forma de lípidos. [13] Dado que la necesidad de combustibles alternativos para el transporte había disminuido después de la Segunda Guerra Mundial, la investigación en ese momento se centró en el cultivo de algas como fuente de alimento o, en algunos casos, para el tratamiento de aguas residuales. [14]
El interés en la aplicación de algas para biocombustibles se reavivó durante el embargo de petróleo y los aumentos repentinos de los precios del petróleo en la década de 1970, lo que llevó al Departamento de Energía de Estados Unidos a iniciar el Programa de Especies Acuáticas en 1978. [15] El Programa de Especies Acuáticas gastó 25 millones de dólares en 18 años con el objetivo de desarrollar combustible líquido para el transporte a partir de algas que tenga un precio competitivo con los combustibles derivados del petróleo. [16] El programa de investigación se centró en el cultivo de microalgas en estanques abiertos al aire libre, sistemas que son de bajo costo pero vulnerables a perturbaciones ambientales como cambios de temperatura e invasiones biológicas. Se recolectaron 3.000 cepas de algas de todo el país y se examinaron en busca de propiedades deseables como alta productividad, contenido de lípidos y tolerancia térmica, y las cepas más prometedoras se incluyeron en la colección de microalgas SERI en el Instituto de Investigación de Energía Solar (SERI) en Golden, Colorado y utilizado para futuras investigaciones. [16] Entre los hallazgos más significativos del programa se encontraba que el crecimiento rápido y la alta producción de lípidos eran "mutuamente excluyentes", ya que el primero requería altos nutrientes y el segundo requería bajos nutrientes. [16] El informe final sugirió que la ingeniería genética puede ser necesaria para poder superar esta y otras limitaciones naturales de las cepas de algas, y que la especie ideal podría variar según el lugar y la estación. [16] Aunque se demostró con éxito que la producción a gran escala de algas como combustible en estanques al aire libre era factible, el programa no logró hacerlo a un costo que fuera competitivo con el del petróleo, especialmente cuando los precios del petróleo se hundieron en la década de 1990. Incluso en el mejor de los casos, se estimó que el aceite de algas no extraído costaría entre 59 y 186 dólares por barril, [16] mientras que el petróleo costaba menos de 20 dólares por barril en 1995. [15] Por lo tanto, bajo presión presupuestaria en 1996, las especies acuáticas El programa fue abandonado. [dieciséis]
Otras contribuciones a la investigación de los biocombustibles de algas provienen indirectamente de proyectos centrados en diferentes aplicaciones de los cultivos de algas. Por ejemplo, en la década de 1990, el Instituto de Investigación de Tecnología Innovadora para la Tierra (RITE) de Japón implementó un programa de investigación con el objetivo de desarrollar sistemas para fijar CO.
2utilizando microalgas. [17] Aunque el objetivo no era la producción de energía, varios estudios producidos por RITE demostraron que las algas podrían cultivarse utilizando gases de combustión de plantas de energía como CO.
2fuente, [18] [19] un avance importante para la investigación de biocombustibles de algas. Otros trabajos centrados en la recolección de gas hidrógeno, metano o etanol a partir de algas, así como suplementos nutricionales y compuestos farmacéuticos, también han ayudado a fundamentar la investigación sobre la producción de biocombustibles a partir de algas. [14]
Tras la disolución del Programa de Especies Acuáticas en 1996, hubo una relativa pausa en la investigación de biocombustibles de algas. Aún así, varios proyectos fueron financiados en los EE. UU. por el Departamento de Energía , el Departamento de Defensa , la Fundación Nacional de Ciencias , el Departamento de Agricultura , los Laboratorios Nacionales , fondos estatales y fondos privados, así como en otros países. [15] Más recientemente, el aumento de los precios del petróleo en la década de 2000 estimuló un resurgimiento del interés en los biocombustibles de algas y la financiación federal de EE. UU. ha aumentado, [15] se están financiando numerosos proyectos de investigación en Australia, Nueva Zelanda, Europa, Oriente Medio y otros países. partes del mundo. [20]
En marzo de 2023, los investigadores dijeron que la comercialización de biocombustibles requeriría varios miles de millones de dólares de financiación, además de una dedicación a largo plazo para superar lo que parecen ser limitaciones biológicas fundamentales de los organismos salvajes. La mayoría de los investigadores creen que la producción a gran escala de biocombustibles está "a una década, o más probablemente a dos décadas". [3]
El aceite de algas se utiliza como fuente de suplementación de ácidos grasos en productos alimenticios, ya que contiene grasas mono y poliinsaturadas , en particular EPA y DHA . [21] Su contenido de DHA es aproximadamente equivalente al del aceite de pescado a base de salmón . [22] [23]
Las algas se pueden convertir en varios tipos de combustibles, dependiendo de las tecnologías de producción y de la parte de las células utilizadas. Los lípidos , o la parte aceitosa de la biomasa de algas, pueden extraerse y convertirse en biodiesel mediante un proceso similar al utilizado para cualquier otro aceite vegetal, o convertirse en una refinería en sustitutos "directos" de los combustibles derivados del petróleo. Alternativamente o después de la extracción de lípidos, el contenido de carbohidratos de las algas se puede fermentar para obtener bioetanol o butanol como combustible . [24]
El biodiesel es un combustible diésel derivado de lípidos (aceites y grasas) animales o vegetales. Los estudios han demostrado que algunas especies de algas pueden producir el 60% o más de su peso seco en forma de aceite. [13] [16] [25] [26] [27] Debido a que las células crecen en suspensión acuosa, donde tienen un acceso más eficiente al agua, CO
2y nutrientes disueltos, las microalgas son capaces de producir grandes cantidades de biomasa y aceite utilizable ya sea en estanques de algas de alta tasa [28] o en fotobiorreactores . Este aceite luego se puede convertir en biodiesel que podría venderse para su uso en automóviles. La producción regional de microalgas y su procesamiento en biocombustibles proporcionará beneficios económicos a las comunidades rurales. [29]
Como no tienen que producir compuestos estructurales como la celulosa para hojas, tallos o raíces, y porque pueden cultivarse flotando en un medio rico en nutrientes, las microalgas pueden tener tasas de crecimiento más rápidas que los cultivos terrestres. Además, pueden convertir una fracción mucho mayor de su biomasa en aceite que los cultivos convencionales, por ejemplo, 60% versus 2-3% para la soja. [25] Se estima que el rendimiento por unidad de superficie de aceite de algas es de 58.700 a 136.900 L/ha/año, dependiendo del contenido de lípidos, que es de 10 a 23 veces mayor que el siguiente cultivo de mayor rendimiento, la palma de aceite, en 5 950 L/ha/año. [30]
El Programa de Especies Acuáticas del Departamento de Energía de EE.UU. , 1978-1996, se centró en el biodiesel procedente de microalgas. El informe final sugirió que el biodiesel podría ser el único método viable para producir suficiente combustible para reemplazar el uso actual de diesel en el mundo. [31] Si el biodiésel derivado de algas sustituyera la producción mundial anual de 1.100 millones de toneladas de diésel convencional, se necesitaría una masa de tierra de 57,3 millones de hectáreas, lo que sería muy favorable en comparación con otros biocombustibles. [32]
El butanol se puede producir a partir de algas o diatomeas utilizando únicamente una biorrefinería alimentada por energía solar . Este combustible tiene una densidad energética un 10% menor que la gasolina, y mayor que la del etanol o el metanol . En la mayoría de los motores de gasolina, se puede utilizar butanol en lugar de gasolina sin modificaciones. En varias pruebas, el consumo de butanol es similar al de la gasolina, y cuando se mezcla con gasolina, proporciona mejor rendimiento y resistencia a la corrosión que el del etanol o el E85 . [33]
Los residuos verdes que quedan de la extracción del aceite de algas se pueden utilizar para producir butanol. Además, se ha demostrado que las macroalgas (algas marinas) pueden ser fermentadas por bacterias del género Clostridia hasta obtener butanol y otros disolventes. [34] La transesterificación del aceite de algas (en biodiesel) también es posible con especies como Chaetomorpha linum , Ulva lactuca y Enteromorpha compressa ( Ulva ). [35]
Se están investigando las siguientes especies como especies adecuadas para producir etanol y/o butanol : [36]
La biogasolina es gasolina producida a partir de biomasa . Al igual que la gasolina producida tradicionalmente, contiene entre 6 ( hexano ) y 12 ( dodecano ) átomos de carbono por molécula y puede utilizarse en motores de combustión interna . [38]
El biogás está compuesto principalmente de metano ( CH 4 ) y dióxido de carbono (CO 2 ), con algunas trazas de sulfuro de hidrógeno , oxígeno, nitrógeno e hidrógeno . Las macroalgas tienen una alta tasa de producción de metano en comparación con la biomasa vegetal. La producción de biogás a partir de macroalgas es más viable técnicamente en comparación con otros combustibles, pero no es económicamente viable debido al alto costo de la materia prima de las macroalgas. [39] Los carbohidratos y las proteínas de las microalgas se pueden convertir en biogás mediante digestión anaeróbica, que incluye pasos de hidrólisis, fermentación y metanogénesis. La conversión de biomasa de algas en metano puede potencialmente recuperar tanta energía como se obtiene, pero es más rentable cuando el contenido de lípidos de las algas es inferior al 40%. [40] La producción de biogás a partir de microalgas es relativamente baja debido a la alta proporción de proteínas en las microalgas, pero las microalgas pueden codigerirse con productos con una alta proporción C/N, como el papel usado. [41] Otro método para producir biogás es mediante gasificación, donde el hidrocarburo se convierte en gas de síntesis mediante una reacción de oxidación parcial a alta temperatura (normalmente de 800 °C a 1000 °C). La gasificación suele realizarse con catalizadores. La gasificación no catalizada requiere una temperatura de aproximadamente 1300 °C. El gas de síntesis se puede quemar directamente para producir energía o utilizarse como combustible en motores de turbina. También se puede utilizar como materia prima para otras producciones químicas. [42]
El metano , [43] el principal componente del gas natural, puede producirse a partir de algas mediante diversos métodos, concretamente gasificación , pirólisis y digestión anaeróbica . En los métodos de gasificación y pirólisis, el metano se extrae a alta temperatura y presión. La digestión anaeróbica [44] es un método sencillo que implica la descomposición de algas en componentes simples, luego la transforma en ácidos grasos utilizando microbios como bacterias acidogénicas, seguido de la eliminación de las partículas sólidas y, finalmente, la adición de arqueas metanogénicas para liberar una mezcla de gases que contiene metano. Varios estudios han demostrado con éxito que la biomasa de microalgas se puede convertir en biogás mediante digestión anaeróbica. [45] [46] [47] [48] [49] Por lo tanto, para mejorar el equilibrio energético general de las operaciones de cultivo de microalgas, se ha propuesto recuperar la energía contenida en la biomasa residual mediante digestión anaeróbica en metano para generar electricidad. . [50]
El sistema Algenol que comercializa BioFields en Puerto Libertad , Sonora , México, utiliza agua de mar y gases de escape industriales para producir etanol. Porphyridium cruentum también ha demostrado ser potencialmente adecuado para la producción de etanol debido a su capacidad para acumular grandes cantidades de carbohidratos. [51]
Las algas se pueden utilizar para producir ' diésel verde ' (también conocido como diésel renovable, aceite vegetal de hidrotratamiento [52] o diésel renovable derivado de hidrógeno) [53] mediante un proceso de refinería de hidrotratamiento que descompone las moléculas en cadenas de hidrocarburos más cortas utilizadas en los motores diésel . . [52] [54] Tiene las mismas propiedades químicas que el diésel a base de petróleo [52] , lo que significa que no requiere nuevos motores, tuberías o infraestructura para su distribución y uso. Aún no se ha producido a un coste que sea competitivo con el del petróleo . [53] Si bien el hidrotratamiento es actualmente la vía más común para producir hidrocarburos similares a los combustibles mediante descarboxilación/descarbonilación, existe un proceso alternativo que ofrece una serie de ventajas importantes sobre el hidrotratamiento. En este sentido, el trabajo de Crocker et al. [55] y Lercher et al. [56] es particularmente digno de mención. Para el refinado de petróleo, se están realizando investigaciones para la conversión catalítica de combustibles renovables mediante descarboxilación . [57] Como el oxígeno está presente en el petróleo crudo en niveles bastante bajos, del orden del 0,5%, la desoxigenación en el refinado del petróleo no es motivo de mucha preocupación y no se formulan catalizadores específicamente para el hidrotratamiento de oxigenados. Por lo tanto, uno de los desafíos técnicos críticos para hacer económicamente viable el proceso de hidrodesoxigenación del aceite de algas está relacionado con la investigación y el desarrollo de catalizadores efectivos. [58] [59]
Lufthansa y Virgin Atlantic llevaron a cabo pruebas de uso de algas como biocombustible ya en 2008, aunque hay poca evidencia de que el uso de algas sea una fuente razonable de biocombustibles para aviones. [60] En 2015, se estaba investigando el cultivo de ésteres metílicos de ácidos grasos y alquenonas del alga Isochrysis como posible materia prima para biocombustible para aviones . [61]
En mayo de 2022, científicos de la Universidad de Cambridge anunciaron que habían creado un recolector de energía de algas, que utiliza la luz solar natural para alimentar un pequeño microprocesador , inicialmente alimentando el procesador durante seis meses y luego funcionando durante un año completo. El dispositivo, que tiene aproximadamente el tamaño de una batería AA , es un pequeño recipiente con agua y algas verdiazules. El dispositivo no genera una gran cantidad de energía, pero puede usarse para dispositivos de Internet de las cosas , eliminando la necesidad de baterías tradicionales como las de iones de litio. El objetivo es tener una fuente de energía más respetuosa con el medio ambiente que pueda utilizarse en zonas remotas. [62]
La investigación sobre las algas para la producción masiva de petróleo se centra principalmente en las microalgas (organismos capaces de realizar la fotosíntesis de menos de 0,4 mm de diámetro, incluidas las diatomeas y las cianobacterias ), a diferencia de las macroalgas, como las algas marinas . La preferencia por las microalgas se debe en gran parte a su estructura menos compleja, sus rápidas tasas de crecimiento y su alto contenido de aceite (para algunas especies). Sin embargo, se están realizando algunas investigaciones sobre el uso de algas marinas para biocombustibles, probablemente debido a la alta disponibilidad de este recurso. [63] [64]
A partir de 2012, [actualizar]investigadores de varios lugares del mundo han comenzado a investigar las siguientes especies para determinar su idoneidad como productoras masivas de petróleo: [65] [66] [67]
La cantidad de aceite que produce cada cepa de algas varía ampliamente. Tenga en cuenta las siguientes microalgas y sus diversos rendimientos de aceite:
Además, debido a su alta tasa de crecimiento, Ulva [71] ha sido investigada como combustible para su uso en el ciclo SOFT (SOFT significa Solar Oxygen Fuel Turbine), un sistema de generación de energía de ciclo cerrado adecuado para su uso en Regiones áridas y subtropicales. [72]
Otras especies utilizadas incluyen Clostridium saccharoperbutylacetonicum , [73] Sargassum , Gracilaria , Prymnesium parvum y Euglena gracilis . [74]
La luz es lo que las algas necesitan principalmente para crecer, ya que es el factor más limitante. Muchas empresas están invirtiendo en el desarrollo de sistemas y tecnologías para proporcionar luz artificial. Uno de ellos es OriginOil, que ha desarrollado un Helix BioReactorTM que presenta un eje vertical giratorio con luces de baja energía dispuestas en forma de hélice. [75] La temperatura del agua también influye en las tasas metabólicas y reproductivas de las algas. Aunque la mayoría de las algas crecen a un ritmo lento cuando la temperatura del agua desciende, la biomasa de las comunidades de algas puede aumentar debido a la ausencia de organismos pastoriles. [75] Los modestos aumentos en la velocidad de la corriente de agua también pueden afectar las tasas de crecimiento de algas, ya que la tasa de absorción de nutrientes y la difusión de la capa límite aumentan con la velocidad de la corriente. [75]
Además de la luz y el agua, el fósforo, el nitrógeno y ciertos micronutrientes también son útiles y esenciales para el cultivo de algas. El nitrógeno y el fósforo son los dos nutrientes más importantes necesarios para la productividad de las algas, pero también se necesitan otros nutrientes como el carbono y la sílice. [76] De los nutrientes necesarios, el fósforo es uno de los más esenciales, ya que se utiliza en numerosos procesos metabólicos. Se analizó la microalga D. tertiolecta para ver qué nutriente afecta más su crecimiento. [77] Las concentraciones de fósforo (P), hierro (Fe), cobalto (Co), zinc (Zn), manganeso (Mn) y molibdeno (Mo), magnesio (Mg), calcio (Ca), silicio (Si) y las concentraciones de azufre (S) se midieron diariamente mediante análisis de plasma acoplado inductivamente (ICP). Entre todos estos elementos medidos, el fósforo resultó en la disminución más dramática, con una reducción del 84% en el transcurso del cultivo. [77] Este resultado indica que todos los organismos necesitan fósforo, en forma de fosfato, en grandes cantidades para su metabolismo.
Hay dos medios de enriquecimiento que se han utilizado ampliamente para cultivar la mayoría de las especies de algas: el medio Walne y el medio Guillard's F/ 2 . [78] Estas soluciones nutritivas disponibles comercialmente pueden reducir el tiempo necesario para preparar todos los nutrientes necesarios para el cultivo de algas. Sin embargo, debido a su complejidad en el proceso de generación y alto costo, no se utilizan para operaciones de cultivo a gran escala. [78] Por lo tanto, los medios de enriquecimiento utilizados para la producción masiva de algas contienen sólo los nutrientes más importantes con fertilizantes de calidad agrícola en lugar de fertilizantes de laboratorio. [78]
Las algas crecen mucho más rápido que los cultivos alimentarios y pueden producir cientos de veces más aceite por unidad de superficie que los cultivos convencionales como la colza, las palmas, la soja o la jatrofa . [30] Como las algas tienen un ciclo de recolección de 1 a 10 días, su cultivo permite varias cosechas en un período de tiempo muy corto, una estrategia que difiere de la asociada con los cultivos anuales. [26] Además, las algas pueden cultivarse en tierras no aptas para cultivos terrestres, incluidas tierras áridas y tierras con suelo excesivamente salino, minimizando la competencia con la agricultura. [79] La mayor parte de la investigación sobre el cultivo de algas se ha centrado en el cultivo de algas en fotobiorreactores limpios pero costosos , o en estanques abiertos, que son baratos de mantener pero propensos a la contaminación. [80]
La falta de equipos y estructuras necesarios para comenzar a cultivar algas en grandes cantidades ha inhibido la producción masiva generalizada de algas para la producción de biocombustibles. El objetivo es aprovechar al máximo los procesos y equipos agrícolas existentes. [81]
Los sistemas cerrados (no expuestos al aire libre) evitan el problema de la contaminación por otros organismos introducidos por el aire. El problema de un sistema cerrado es encontrar una fuente barata de CO estéril
2. Varios experimentadores han encontrado el CO
2de una chimenea funciona bien para el cultivo de algas. [82] [83]
Por razones de economía, algunos expertos piensan que el cultivo de algas para biocombustibles tendrá que realizarse como parte de la cogeneración , donde se puede aprovechar el calor residual y ayudar a absorber la contaminación. [84]
Para producir microalgas a gran escala en un entorno controlado utilizando el sistema PBR, se deben considerar bien estrategias como guías de luz, rociadores y materiales de construcción PBR necesarios. [85]
La mayoría de las empresas que utilizan algas como fuente de biocombustibles bombean agua rica en nutrientes a través de tubos de plástico o vidrio de borosilicato (llamados " biorreactores ") que están expuestos a la luz solar (y los llamados fotobiorreactores o PBR). [86]
Operar un PBR es más difícil que usar un estanque abierto y más costoso, pero puede proporcionar un mayor nivel de control y productividad. [26] Además, un fotobiorreactor se puede integrar en un sistema de cogeneración de circuito cerrado mucho más fácilmente que los estanques u otros métodos.
Los sistemas de estanques abiertos consisten en estanques sencillos en el suelo, que a menudo se mezclan mediante una rueda de paletas. Estos sistemas tienen bajos requisitos de energía, costos operativos y costos de capital en comparación con los sistemas de fotobiorreactor de circuito cerrado. [87] [86] Casi todos los productores comerciales de algas para productos de algas de alto valor utilizan sistemas de estanques abiertos. [88]
El depurador de algas es un sistema diseñado principalmente para limpiar nutrientes y contaminantes del agua mediante céspedes de algas. Un depurador de césped de algas (ATS) imita los céspedes de algas de un arrecife de coral natural al tomar agua rica en nutrientes de corrientes residuales o fuentes de agua naturales y pulsarla sobre una superficie inclinada. [89] Esta superficie está recubierta con una membrana plástica rugosa o una pantalla, que permite que las esporas de algas naturales se asienten y colonicen la superficie. Una vez que las algas se han establecido, se pueden cosechar cada 5 a 15 días [90] y pueden producir 18 toneladas métricas de biomasa de algas por hectárea por año. [91] A diferencia de otros métodos, que se centran principalmente en una única especie de alga de alto rendimiento, este método se centra en policultivos naturales de algas. Como tal, el contenido de lípidos de las algas en un sistema ATS suele ser menor, lo que lo hace más adecuado para un producto combustible fermentado, como etanol, metano o butanol. [91] Por el contrario, las algas recolectadas podrían tratarse con un proceso de licuefacción hidrotermal , lo que haría posible la producción de biodiesel, gasolina y combustible para aviones. [92]
Hay tres ventajas principales del ATS sobre otros sistemas. La primera ventaja es la mayor productividad documentada en comparación con los sistemas de estanques abiertos. [93] El segundo son los menores costos operativos y de producción de combustible. El tercero es la eliminación de los problemas de contaminación debido a la dependencia de especies de algas naturales. Los costos proyectados para la producción de energía en un sistema ATS son $0,75/kg, en comparación con un fotobiorreactor que costaría $3,50/kg. [91] Además, debido al hecho de que el objetivo principal de los ETA es eliminar nutrientes y contaminantes del agua, y se ha demostrado que estos costos son más bajos que otros métodos de eliminación de nutrientes, esto puede incentivar el uso de esta tecnología para la obtención de nutrientes. la eliminación de residuos como función principal, con la producción de biocombustibles como beneficio añadido. [94]
Después de recolectar las algas, la biomasa generalmente se procesa en una serie de pasos, que pueden diferir según la especie y el producto deseado; ésta es un área activa de investigación [26] y también es el cuello de botella de esta tecnología: el coste de extracción es superior a los obtenidos. Una de las soluciones es utilizar filtradores para "comerlos". Los animales mejorados pueden proporcionar tanto alimentos como combustibles. Un método alternativo para extraer las algas es cultivarlas con tipos específicos de hongos. Esto provoca una biofloculación de las algas que permite una extracción más fácil. [95]
A menudo, las algas se deshidratan y luego se utiliza un disolvente como el hexano para extraer compuestos ricos en energía, como los triglicéridos , del material seco. [1] [96] Luego, los compuestos extraídos se pueden procesar para convertirlos en combustible utilizando procedimientos industriales estándar. Por ejemplo, los triglicéridos extraídos se hacen reaccionar con metanol para crear biodiesel mediante transesterificación . [1] La composición única de ácidos grasos de cada especie influye en la calidad del biodiesel resultante y, por lo tanto, debe tenerse en cuenta al seleccionar especies de algas como materia prima. [26]
Un enfoque alternativo llamado licuefacción hidrotermal emplea un proceso continuo que somete las algas húmedas recolectadas a altas temperaturas y presiones: 350 °C (662 °F) y 3000 libras por pulgada cuadrada (21 000 kPa). [97] [98] [99]
Los productos incluyen petróleo crudo, que puede refinarse aún más para convertirlo en combustible de aviación, gasolina o diésel mediante uno o varios procesos de mejora. [100] El proceso de prueba convirtió entre el 50 y el 70 por ciento del carbono de las algas en combustible. Otros productos incluyen agua limpia, gas combustible y nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio. [97]
Nutrientes como el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el potasio (K) son importantes para el crecimiento de las plantas y son partes esenciales del fertilizante. El sílice y el hierro, así como varios oligoelementos, también pueden considerarse nutrientes marinos importantes, ya que la falta de uno puede limitar el crecimiento o la productividad de un área. [101]
CO burbujeante
2a través de sistemas de cultivo de algas puede aumentar considerablemente la productividad y el rendimiento (hasta un punto de saturación). Normalmente, alrededor de 1,8 toneladas de CO2se utilizará por tonelada de biomasa de algas (seca) producida, aunque esto varía según la especie de alga. [102] La destilería Glenturret en Perthshire filtra CO2elaborado durante la destilación del whisky a través de un biorreactor de microalgas. Cada tonelada de microalgas absorbe dos toneladas de CO
2. Scottish Bioenergy, que dirige el proyecto, vende las microalgas como alimento de alto valor y rico en proteínas para la pesca . En el futuro, utilizarán los residuos de algas para producir energía renovable mediante digestión anaeróbica . [103]
El nitrógeno es un sustrato valioso que puede utilizarse en el crecimiento de algas. Se pueden utilizar varias fuentes de nitrógeno como nutriente para las algas, con diferentes capacidades. Se descubrió que el nitrato era la fuente preferida de nitrógeno, en cuanto a la cantidad de biomasa cultivada. La urea es una fuente fácilmente disponible que muestra resultados comparables, lo que la convierte en un sustituto económico de la fuente de nitrógeno en el cultivo de algas a gran escala. [104] A pesar del claro aumento en el crecimiento en comparación con un medio sin nitrógeno, se ha demostrado que las alteraciones en los niveles de nitrógeno afectan el contenido de lípidos dentro de las células de las algas. En un estudio [105] la privación de nitrógeno durante 72 horas provocó que el contenido total de ácidos grasos (por célula) aumentara 2,4 veces. El 65% del total de ácidos grasos se esterificaron a triacilglicéridos en cuerpos oleosos, en comparación con el cultivo inicial, lo que indica que las células de algas utilizaron la síntesis de novo de ácidos grasos. Es vital que el contenido de lípidos en las células de las algas sea lo suficientemente alto y, al mismo tiempo, se mantengan tiempos de división celular adecuados, por lo que se están investigando parámetros que puedan maximizar ambos.
Una posible fuente de nutrientes son las aguas residuales del tratamiento de aguas residuales, agrícolas o de escorrentías de llanuras aluviales, todos ellos actualmente importantes contaminantes y riesgos para la salud. Sin embargo, estas aguas residuales no pueden alimentar a las algas directamente y primero deben ser procesadas por bacterias, mediante digestión anaeróbica . Si el agua residual no se procesa antes de que llegue a las algas, contaminará las algas en el reactor y, como mínimo, matará gran parte de la cepa de algas deseada. En las instalaciones de biogás , los residuos orgánicos suelen convertirse en una mezcla de dióxido de carbono, metano y fertilizante orgánico. El fertilizante orgánico que sale del digestor es líquido y casi adecuado para el crecimiento de algas, pero primero debe limpiarse y esterilizarse. [106]
Se recomienda firmemente la utilización de aguas residuales y de océano en lugar de agua dulce debido al continuo agotamiento de los recursos de agua dulce. Sin embargo, los metales pesados, los metales traza y otros contaminantes en las aguas residuales pueden disminuir la capacidad de las células para producir lípidos de forma biosintética y también afectar otros mecanismos de funcionamiento de la maquinaria de las células. Lo mismo ocurre con el agua del océano, pero los contaminantes se encuentran en diferentes concentraciones. Por lo tanto, los fertilizantes de calidad agrícola son la fuente preferida de nutrientes, pero los metales pesados vuelven a ser un problema, especialmente para las cepas de algas que son susceptibles a estos metales. En sistemas de estanques abiertos, el uso de cepas de algas que puedan soportar altas concentraciones de metales pesados podría evitar que otros organismos infesten estos sistemas. [79] En algunos casos, incluso se ha demostrado que cepas de algas pueden eliminar más del 90% del níquel y zinc de las aguas residuales industriales en períodos de tiempo relativamente cortos. [107]
En comparación con los cultivos de biocombustibles terrestres, como el maíz o la soja, la producción de microalgas genera una huella de tierra mucho menos significativa debido a la mayor productividad del aceite de las microalgas que todos los demás cultivos oleaginosos. [108] Las algas también pueden cultivarse en tierras marginales inútiles para cultivos ordinarios y con bajo valor de conservación, y pueden utilizar agua de acuíferos salados que no es útil para la agricultura ni para beber. [84] [109] Las algas también pueden crecer en la superficie del océano en bolsas o pantallas flotantes. [110] Por lo tanto, las microalgas podrían proporcionar una fuente de energía limpia con poco impacto en el suministro de alimentos y agua adecuados o en la conservación de la biodiversidad. [111] El cultivo de algas tampoco requiere subsidios externos de insecticidas o herbicidas, lo que elimina cualquier riesgo de generar flujos de desechos de pesticidas asociados. Además, los biocombustibles de algas son mucho menos tóxicos y se degradan mucho más fácilmente que los combustibles derivados del petróleo. [112] [113] [114] Sin embargo, debido a la naturaleza inflamable de cualquier combustible combustible, existe la posibilidad de que se produzcan algunos riesgos ambientales si se enciende o se derrama, como puede ocurrir en el descarrilamiento de un tren o en una fuga de una tubería. [115] Este peligro se reduce en comparación con los combustibles fósiles , debido a la capacidad de los biocombustibles de algas de producirse de una manera mucho más localizada y debido a la menor toxicidad en general, pero el peligro sigue ahí de todos modos. Por lo tanto, los biocombustibles de algas deben tratarse de manera similar a los combustibles derivados del petróleo en su transporte y uso, con suficientes medidas de seguridad en todo momento.
Los estudios han determinado que sustituir los combustibles fósiles por fuentes de energía renovables, como los biocombustibles, tiene la capacidad de reducir el CO
2emisiones hasta en un 80%. [116] Un sistema basado en algas podría capturar aproximadamente el 80% del CO
2Emitido por una central eléctrica cuando hay luz solar disponible. Aunque este CO
2Posteriormente se liberará a la atmósfera cuando se queme el combustible, este CO
2habría entrado en la atmósfera de todos modos. [109] La posibilidad de reducir el CO total
2Por lo tanto, las emisiones radican en la prevención de la liberación de CO .
2a partir de combustibles fósiles. Además, en comparación con combustibles como el diésel y el petróleo, e incluso con otras fuentes de biocombustibles, la producción y combustión de biocombustibles de algas no produce óxidos de azufre ni óxidos nitrosos, y produce una cantidad reducida de monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y una cantidad reducida de emisión de otros contaminantes nocivos. [117] Dado que las fuentes vegetales terrestres de producción de biocombustibles simplemente no tienen la capacidad de producción para satisfacer las necesidades energéticas actuales, las microalgas pueden ser una de las únicas opciones para abordar el reemplazo completo de los combustibles fósiles.
La producción de microalgas también incluye la posibilidad de utilizar residuos salinos o residuos de CO.
2corrientes como fuente de energía. Esto abre una nueva estrategia para producir biocombustibles junto con el tratamiento de aguas residuales, pudiendo al mismo tiempo producir agua limpia como subproducto. [117] Cuando se utilizan en un biorreactor de microalgas, las microalgas recolectadas capturarán cantidades significativas de compuestos orgánicos, así como contaminantes de metales pesados absorbidos de las corrientes de aguas residuales que, de otro modo, se descargarían directamente en las aguas superficiales y subterráneas. [108] Además, este proceso también permite la recuperación de fósforo de los residuos, que es un elemento esencial pero escaso en la naturaleza, cuyas reservas se estima que se han agotado en los últimos 50 años. [118] Otra posibilidad es el uso de sistemas de producción de algas para limpiar la contaminación de fuentes difusas, en un sistema conocido como depurador de césped de algas (ATS). Se ha demostrado que esto reduce los niveles de nitrógeno y fósforo en ríos y otras grandes masas de agua afectadas por la eutrofización, y se están construyendo sistemas que serán capaces de procesar hasta 110 millones de litros de agua por día. Los ETA también se pueden utilizar para tratar la contaminación de fuentes puntuales, como las aguas residuales mencionadas anteriormente, o en el tratamiento de efluentes ganaderos. [91] [119] [120]
Casi toda la investigación sobre biocombustibles de algas se ha centrado en el cultivo de especies únicas, o monocultivos, de microalgas. Sin embargo, la teoría ecológica y los estudios empíricos han demostrado que los policultivos de plantas y algas, es decir, grupos de múltiples especies, tienden a producir mayores rendimientos que los monocultivos. [121] [122] [123] [124] Los experimentos también han demostrado que las comunidades microbianas acuáticas más diversas tienden a ser más estables en el tiempo que las comunidades menos diversas. [125] [126] [127] [128] Estudios recientes encontraron que los policultivos de microalgas produjeron rendimientos de lípidos significativamente mayores que los monocultivos. [129] [130] Los policultivos también tienden a ser más resistentes a los brotes de plagas y enfermedades, así como a la invasión de otras plantas o algas. [131] Por lo tanto, el cultivo de microalgas en policultivo puede no solo aumentar los rendimientos y la estabilidad de los rendimientos de biocombustibles, sino también reducir el impacto ambiental de una industria de biocombustibles de algas. [111]
Es evidente que existe una demanda de producción sostenible de biocombustibles, pero que en última instancia se utilice un biocombustible en particular no depende de la sostenibilidad sino de la rentabilidad. Por lo tanto, la investigación se centra en reducir el coste de la producción de biocombustibles de algas hasta el punto de que pueda competir con el petróleo convencional. [26] [132] La producción de varios productos a partir de algas se ha mencionado [ palabras de comadreja ] como el factor más importante para hacer que la producción de algas sea económicamente viable. Otros factores son la mejora de la eficiencia de conversión de energía solar a biomasa (actualmente un 3%, pero teóricamente se puede alcanzar entre un 5 y un 7% [133] ) y facilitar la extracción de aceite de las algas. [134]
En un informe de 2007 [26] se derivó una fórmula que estima el costo del aceite de algas para que sea un sustituto viable del diésel de petróleo:
donde: C (aceite de algas) es el precio del aceite de microalgas en dólares por galón y C (petróleo) es el precio del petróleo crudo en dólares por barril. Esta ecuación supone que el aceite de algas tiene aproximadamente el 80% del valor energético calórico del petróleo crudo. [135]
La AIE estima que se puede producir biomasa de algas por tan solo 0,54 dólares/kg en estanques abiertos en un clima cálido y 10,20 dólares/kg en fotobiorreactores en climas más fríos. [136] Suponiendo que la biomasa contiene 30% de petróleo en peso, el costo de la biomasa para proporcionar un litro de petróleo sería de aproximadamente $1,40 ($5,30/gal) y $1,81 ($6,85/gal) para fotobiorreactores y conductos de rodadura, respectivamente. Se estima que el petróleo recuperado de la biomasa de menor costo producida en fotobiorreactores cuesta $2,80/L, asumiendo que el proceso de recuperación contribuye con el 50% del costo del petróleo recuperado final. [26] Si los proyectos de algas existentes pueden alcanzar objetivos de precios de producción de biodiesel de menos de $1 por galón, Estados Unidos puede alcanzar su objetivo de reemplazar hasta el 20% de los combustibles para el transporte para 2020 mediante el uso de combustibles ambiental y económicamente sostenibles provenientes de la producción de algas. [137]
Mientras que la industria está abordando con éxito problemas técnicos, como la recolección, muchos consideran que la elevada inversión inicial en instalaciones de conversión de algas en biocombustibles es un obstáculo importante para el éxito de esta tecnología. Sólo unos pocos estudios sobre la viabilidad económica están disponibles públicamente y, a menudo, deben basarse en los pocos datos (a menudo sólo estimaciones de ingeniería) disponibles en el dominio público. Dmitrov [138] examinó el fotobiorreactor de GreenFuel y estimó que el aceite de algas sólo sería competitivo a un precio de 800 dólares por barril. Un estudio de Alabi et al. [139] examinaron conductos de rodadura, fotobiorreactores y fermentadores anaeróbicos para producir biocombustibles a partir de algas y descubrieron que los fotobiorreactores son demasiado caros para producir biocombustibles. Las canalizaciones pueden ser rentables en climas cálidos con costos laborales muy bajos, y los fermentadores pueden volverse rentables después de mejoras significativas en los procesos. El grupo descubrió que los costos de capital, mano de obra y operación (fertilizantes, electricidad, etc.) por sí solos son demasiado altos para que los biocombustibles de algas sean competitivos en costos con los combustibles convencionales. Otros encontraron resultados similares, [140] [141] [142], lo que sugiere que, a menos que se encuentren formas nuevas y más baratas de aprovechar las algas para la producción de biocombustibles, es posible que su gran potencial técnico nunca llegue a ser económicamente accesible. En 2012, Rodrigo E. Teixeira [143] demostró una nueva reacción y propuso un proceso para recolectar y extraer materias primas para la producción de biocombustibles y productos químicos que requiere una fracción de la energía de los métodos actuales, al tiempo que extrae todos los componentes celulares.
Muchos de los subproductos producidos en el procesamiento de microalgas se pueden utilizar en diversas aplicaciones, muchas de las cuales tienen una historia de producción más larga que el biocombustible de algas. Algunos de los productos que no se utilizan en la producción de biocombustibles incluyen tintes y pigmentos naturales, antioxidantes y otros compuestos bioactivos de alto valor. [80] [144] [145] Estos productos químicos y el exceso de biomasa han encontrado numerosos usos en otras industrias. Por ejemplo, los tintes y aceites han encontrado un lugar en los cosméticos, comúnmente como agentes espesantes y aglutinantes de agua. [146] Los descubrimientos dentro de la industria farmacéutica incluyen antibióticos y antifúngicos derivados de microalgas, así como productos naturales para la salud, cuya popularidad ha ido creciendo en las últimas décadas. Por ejemplo, la espirulina contiene numerosas grasas poliinsaturadas (Omega 3 y 6), aminoácidos y vitaminas, [147] así como pigmentos que pueden ser beneficiosos, como el betacaroteno y la clorofila. [148]
Una de las principales ventajas del uso de microalgas como materia prima en comparación con cultivos más tradicionales es que se pueden cultivar mucho más fácilmente. [149] Las algas se pueden cultivar en tierras que no se considerarían adecuadas para el crecimiento de los cultivos utilizados habitualmente. [80] Además de esto, se ha demostrado que las aguas residuales que normalmente obstaculizarían el crecimiento de las plantas son muy efectivas para el cultivo de algas. [149] Debido a esto, las algas se pueden cultivar sin ocupar tierra cultivable que de otro modo se usaría para producir cultivos alimentarios, y los mejores recursos se pueden reservar para la producción normal de cultivos. Las microalgas también requieren menos recursos para crecer y poca atención, lo que permite que el crecimiento y cultivo de algas sea un proceso muy pasivo. [80]
Muchas materias primas tradicionales para el biodiesel, como el maíz y la palma, también se utilizan como alimento para el ganado en las granjas, además de ser una valiosa fuente de alimento para los humanos. Debido a esto, su uso como biocombustible reduce la cantidad de alimentos disponibles para ambos, lo que resulta en un aumento del costo tanto de los alimentos como del combustible producido. El uso de algas como fuente de biodiesel puede aliviar este problema de varias maneras. En primer lugar, las algas no se utilizan como fuente primaria de alimento para los humanos, lo que significa que pueden usarse únicamente como combustible y tendrían poco impacto en la industria alimentaria. [150] En segundo lugar, muchos de los extractos de productos de desecho producidos durante el procesamiento de algas para biocombustibles pueden usarse como alimento animal suficiente. Esta es una forma eficaz de minimizar el desperdicio y una alternativa mucho más económica a los piensos más tradicionales a base de maíz o cereales. [151]
También se ha demostrado que el cultivo de algas como fuente de biocombustibles tiene numerosos beneficios medioambientales y se ha presentado como una alternativa mucho más respetuosa con el medio ambiente que los biocombustibles actuales. Por un lado, es capaz de utilizar escorrentías, agua contaminada con fertilizantes y otros nutrientes que son un subproducto de la agricultura, como su principal fuente de agua y nutrientes. [149] Debido a esto, evita que esta agua contaminada se mezcle con los lagos y ríos que actualmente suministran nuestra agua potable. Además de esto, el amoníaco, los nitratos y los fosfatos que normalmente harían que el agua fuera insalubre, en realidad sirven como nutrientes excelentes para las algas, lo que significa que se necesitan menos recursos para cultivarlas. [80] Muchas especies de algas utilizadas en la producción de biodiesel son excelentes biofijadores, lo que significa que pueden eliminar dióxido de carbono de la atmósfera para utilizarlo como forma de energía para sí mismos. Debido a esto, han encontrado uso en la industria como una forma de tratar los gases de combustión y reducir las emisiones de GEI. [80]
El proceso de cultivo de microalgas requiere una gran cantidad de agua. Los estudios del ciclo de vida estimaron que la producción de 1 litro de biodiesel a base de microalgas requiere entre 607 y 1944 litros de agua. [152] Dicho esto, en teoría se pueden utilizar abundantes aguas residuales y/o agua de mar , que también contienen diversos nutrientes, para este fin en lugar de agua dulce.
El biodiesel de algas es todavía una tecnología bastante nueva. A pesar de que la investigación comenzó hace más de 30 años, se suspendió a mediados de la década de 1990, principalmente debido a la falta de financiación y al costo relativamente bajo del petróleo. [20] Durante los siguientes años, los biocombustibles de algas recibieron poca atención; No fue hasta el pico del gas a principios de la década de 2000 que finalmente tuvo una revitalización en la búsqueda de fuentes de combustible alternativas. [20]
El creciente interés en el cultivo de algas marinas para el secuestro de carbono, la reducción de la eutrofización y la producción de alimentos ha dado como resultado la creación del cultivo comercial de algas desde 2017. [153] Las reducciones en el costo del cultivo y la cosecha, así como el desarrollo de la industria comercial mejorarán la economía. de biocombustibles de macroalgas. El cambio climático ha creado una proliferación de mantos de macroalgas marrones, que llegan a las costas del Caribe. Actualmente, estas esteras se desechan, pero existe interés en convertirlas en materia prima para la producción de biocombustibles. [154]
El biodiésel producido a partir del procesamiento de microalgas se diferencia de otras formas de biodiésel por el contenido de grasas poliinsaturadas. [149] Las grasas poliinsaturadas son conocidas por su capacidad para retener la fluidez a temperaturas más bajas. Si bien esto puede parecer una ventaja en la producción durante las temperaturas más frías del invierno, las grasas poliinsaturadas dan como resultado una menor estabilidad durante las temperaturas estacionales regulares. [150]
Desde la crisis del petróleo de 1975 se han implementado numerosas políticas para promover el uso de combustibles renovables en Estados Unidos, Canadá y Europa. En Canadá, estas incluyeron la implementación de impuestos especiales que eximían al propano y al gas natural, que se extendieron al etanol elaborado a partir de biomasa y metanol en 1992. El gobierno federal también anunció su estrategia de combustibles renovables en 2006, que proponía cuatro componentes: aumentar la disponibilidad de combustibles renovables a través de regulación, apoyando la expansión de la producción canadiense de combustibles renovables, ayudando a los agricultores a aprovechar nuevas oportunidades en este sector y acelerando la comercialización de nuevas tecnologías. Estos mandatos fueron rápidamente seguidos por las provincias canadienses:
BC introdujo un requisito de 5% de etanol y 5% de diésel renovable que entró en vigor en enero de 2010. También introdujo un requisito de combustible bajo en carbono para el período 2012 a 2020.
Alberta introdujo un requisito de 5% de etanol y 2% de diésel renovable implementado en abril de 2011. La provincia también introdujo un requisito mínimo de reducción de emisiones de GEI del 25% para los combustibles renovables calificados.
Saskatchewan implementó un requisito de diésel renovable del 2% en 2009. [155]
Además, en 2006, el gobierno federal canadiense anunció su compromiso de utilizar su poder adquisitivo para fomentar la industria de los biocombustibles. La sección tres de la ley de combustibles alternativos de 2006 establece que cuando sea económicamente viable hacerlo, el 75% de todos los organismos federales y corporaciones de la corona serán vehículos de motor. [156]
Las políticas en Estados Unidos han incluido una disminución de los subsidios proporcionados por los gobiernos federal y estatal a la industria petrolera, que generalmente han incluido 2.840 millones de dólares. Esto es más de lo que realmente se reserva para la industria de los biocombustibles. La medida fue discutida en el G20 en Pittsburgh, donde los líderes coincidieron en que " los subsidios ineficientes a los combustibles fósiles fomentan el consumo despilfarrador, reducen nuestra seguridad energética, impiden la inversión en fuentes limpias y socavan los esfuerzos para hacer frente a la amenaza del cambio climático". Si se cumple este compromiso y se eliminan los subsidios, se creará un mercado más justo en el que los biocombustibles de algas puedan competir. En 2010, la Cámara de Representantes de Estados Unidos aprobó una legislación que buscaba dar a los biocombustibles basados en algas paridad con los biocombustibles de celulosa en los programas de crédito fiscal federal. La ley de promoción de combustibles renovables a base de algas (HR 4168) se implementó para brindar a los proyectos de biocombustibles acceso a un crédito fiscal de producción de $1,01 por galón y una bonificación de depreciación del 50% para la propiedad de plantas de biocombustibles. El Gobierno de los Estados Unidos también introdujo la Ley de Combustible para Mejorar la Seguridad Nacional, implementada en 2011. Esta política constituye una enmienda a la Ley Federal de Propiedad y Servicios Administrativos de 1949 y a las disposiciones federales de defensa con el fin de extender a 15 el número de años que el Departamento de Se puede celebrar un contrato plurianual de Defensa (DOD) en el caso de la compra de biocombustible avanzado. Los programas federales y del DOD generalmente se limitan a un período de cinco años [157]
La Unión Europea (UE) también ha respondido cuadriplicando los créditos para biocombustibles de algas de segunda generación que se estableció como una enmienda a las Directivas sobre biocombustibles y calidad de los combustibles [158].
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