Los biocombustibles de segunda generación , también conocidos como biocombustibles avanzados , son combustibles que pueden fabricarse a partir de diversos tipos de biomasa no alimentaria . En este contexto, biomasa significa materiales vegetales y desechos animales utilizados especialmente como fuente de combustible.
Los biocombustibles de primera generación se elaboran a partir de materias primas de azúcar y almidón (por ejemplo, caña de azúcar y maíz ) y materias primas de aceites comestibles (por ejemplo, aceite de colza y de soja ), que generalmente se convierten en bioetanol y biodiesel , respectivamente. [1]
Los biocombustibles de segunda generación se elaboran a partir de diferentes materias primas y, por lo tanto, pueden requerir diferentes tecnologías para extraer energía útil de ellos. Las materias primas de segunda generación incluyen biomasa lignocelulósica o cultivos leñosos, residuos o desechos agrícolas, así como cultivos energéticos no alimentarios específicos cultivados en tierras marginales no aptas para la producción de alimentos.
El término biocombustibles de segunda generación se utiliza vagamente para describir tanto la tecnología "avanzada" utilizada para procesar materias primas en biocombustibles, como también el uso de cultivos no alimentarios, biomasa y desechos como materias primas en tecnologías de procesamiento de biocombustibles "estándar", si son adecuadas. Esto causa una confusión considerable. Por lo tanto, es importante distinguir entre materias primas de segunda generación y tecnologías de procesamiento de biocombustibles de segunda generación.
El desarrollo de biocombustibles de segunda generación ha visto un estímulo desde el dilema entre alimentos y combustibles en relación con el riesgo de desviar tierras de cultivo o cultivos para la producción de biocombustibles en detrimento del suministro de alimentos . El debate sobre los precios de los biocombustibles y los alimentos involucra opiniones muy diversas y es un tema controvertido desde hace mucho tiempo en la literatura.
Se han desarrollado tecnologías de biocombustibles de segunda generación para permitir el uso de materias primas para biocombustibles no alimentarios debido a las preocupaciones sobre la seguridad alimentaria causadas por el uso de cultivos alimentarios para la producción de biocombustibles de primera generación . [2] El desvío de biomasa alimentaria comestible hacia la producción de biocombustibles podría, en teoría, dar lugar a una competencia con los alimentos y los usos de la tierra para los cultivos alimentarios.
El bioetanol de primera generación se produce mediante la fermentación de azúcares de origen vegetal hasta obtener etanol , mediante un proceso similar al utilizado en la elaboración de cerveza y vino (ver Fermentación de etanol ). Esto requiere el uso de cultivos alimentarios y forrajeros, como la caña de azúcar , el maíz , el trigo y la remolacha azucarera . La preocupación es que si estos cultivos alimentarios se utilizan para la producción de biocombustibles, los precios de los alimentos podrían aumentar y se podría experimentar escasez en algunos países. El maíz, el trigo y la remolacha azucarera también pueden requerir elevados insumos agrícolas en forma de fertilizantes , lo que limita las reducciones de gases de efecto invernadero que se pueden lograr. El biodiesel producido por transesterificación a partir de aceite de colza , aceite de palma u otros aceites vegetales también se considera un biocombustible de primera generación.
El objetivo de los procesos de biocombustibles de segunda generación es ampliar la cantidad de biocombustibles que se pueden producir de forma sostenible mediante el uso de biomasa formada por partes residuales no alimentarias de los cultivos actuales, como tallos , hojas y cáscaras que quedan una vez finalizado el cultivo alimentario. se ha extraído, así como otros cultivos que no se utilizan con fines alimentarios ( cultivos no alimentarios ), como pasto varilla , pasto , jatrofa , maíz integral , miscanthus y cereales de poco grano, así como residuos industriales como astillas de madera. , pieles y pulpas del prensado de frutas, etc. [3] Sin embargo, su producción puede representar un obstáculo porque no se considera rentable y porque la tecnología moderna es insuficiente para su creación continua. [4]
El problema que abordan los procesos de biocombustibles de segunda generación es extraer materias primas útiles de esta biomasa leñosa o fibrosa, que está compuesta predominantemente de paredes celulares vegetales . En todas las plantas vasculares, los azúcares útiles de la pared celular están unidos a los carbohidratos complejos ( polímeros de moléculas de azúcar), hemicelulosa y celulosa, pero el polímero fenólico lignina los vuelve inaccesibles para su uso directo . El etanol lignocelulósico se elabora extrayendo moléculas de azúcar de los carbohidratos mediante enzimas , calentamiento con vapor u otros tratamientos previos. Luego, estos azúcares se pueden fermentar para producir etanol de la misma manera que se hace con la producción de bioetanol de primera generación . El subproducto de este proceso es la lignina. La lignina se puede quemar como combustible neutro en carbono para producir calor y energía para la planta de procesamiento y posiblemente para los hogares y negocios circundantes. Los procesos termoquímicos (licuefacción) en medios hidrotermales pueden producir productos oleosos líquidos a partir de una amplia gama de materias primas [5] que tienen potencial para reemplazar o aumentar los combustibles. Sin embargo, estos productos líquidos no cumplen con los estándares de diésel o biodiesel. La mejora de los productos de licuefacción mediante uno o varios procesos físicos o químicos puede mejorar las propiedades para su uso como combustible. [6]
Las siguientes subsecciones describen las principales rutas de segunda generación actualmente en desarrollo.
Los materiales a base de carbono se pueden calentar a altas temperaturas en ausencia (pirólisis) o presencia de oxígeno, aire y/o vapor (gasificación).
Estos procesos termoquímicos producen una mezcla de gases que incluyen hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y otros hidrocarburos, y agua. La pirólisis también produce un carbón sólido. El gas se puede fermentar o sintetizar químicamente en una variedad de combustibles, incluidos etanol, diésel sintético, gasolina sintética o combustible para aviones. [7]
También existen procesos a temperaturas más bajas, en la región de 150 a 374 °C, que producen azúcares al descomponer la biomasa en agua con o sin aditivos.
Las tecnologías de gasificación están bien establecidas para materias primas convencionales como el carbón y el petróleo crudo. Las tecnologías de gasificación de segunda generación incluyen la gasificación de residuos forestales y agrícolas, residuos de madera, cultivos energéticos y licor negro . [8] La producción suele ser gas de síntesis para una mayor síntesis de, por ejemplo, productos Fischer-Tropsch, incluido el combustible diésel, biometanol , BioDME ( éter dimetílico ), gasolina mediante conversión catalítica de éter dimetílico o biometano ( gas natural sintético ). [9] El gas de síntesis también se puede utilizar en la producción de calor y para la generación de energía mecánica y eléctrica mediante motores de gas o turbinas de gas .
La pirólisis es una técnica bien establecida para la descomposición de material orgánico a temperaturas elevadas en ausencia de oxígeno . En las aplicaciones de biocombustibles de segunda generación, los residuos forestales y agrícolas, los residuos de madera y los cultivos energéticos pueden utilizarse como materia prima para producir, por ejemplo, bioaceite para aplicaciones de fueloil. El bioaceite generalmente requiere un tratamiento adicional significativo para que sea adecuado como materia prima de refinería para reemplazar el petróleo crudo.
La torrefacción es una forma de pirólisis a temperaturas que suelen oscilar entre 200 y 320 °C. Las materias primas y la producción son las mismas que para la pirólisis.
La licuefacción hidrotermal es un proceso similar a la pirólisis que puede procesar materiales húmedos. El proceso suele realizarse a temperaturas moderadas de hasta 400 °C y presiones superiores a la atmosférica. La capacidad de manejar una amplia gama de materiales hace que la licuefacción hidrotermal sea viable para producir combustible y materia prima para la producción química.
Los procesos químicos y biológicos que se utilizan actualmente en otras aplicaciones se están adaptando a los biocombustibles de segunda generación. Los procesos bioquímicos suelen emplear un tratamiento previo para acelerar el proceso de hidrólisis, que separa la lignina, la hemicelulosa y la celulosa. Una vez que se separan estos ingredientes, las fracciones de celulosa se pueden fermentar en alcoholes. [7]
Las materias primas son cultivos energéticos, residuos agrícolas y forestales, residuos biológicos de la industria alimentaria y municipales y otra biomasa que contiene azúcares . Los productos incluyen alcoholes (como etanol y butanol ) y otros hidrocarburos para uso en el transporte.
Los siguientes biocombustibles de segunda generación están en desarrollo, aunque la mayoría o la totalidad de estos biocombustibles se sintetizan a partir de productos intermedios como el gas de síntesis utilizando métodos que son idénticos en procesos que involucran materias primas convencionales, biocombustibles de primera y segunda generación. La característica distintiva es la tecnología involucrada en la producción del producto intermedio, más que el consumo final.
Un proceso que produce combustibles líquidos a partir de gas (normalmente gas de síntesis) se denomina proceso de conversión de gas a líquido (GtL). [10] Cuando la biomasa es la fuente de producción de gas, el proceso también se denomina biomasa a líquidos (BTL).
El proceso Fischer-Tropsch (FT) es un proceso de conversión de gas a líquido (GtL). [10] Cuando la biomasa es la fuente de producción de gas, el proceso también se denomina biomasa a líquidos (BTL). [21] [22] Una desventaja de este proceso es la alta inversión de energía para la síntesis FT y, en consecuencia, el proceso aún no es económico.
Para calificar como materia prima de segunda generación, una fuente no debe ser apta para el consumo humano. Las materias primas para biocombustibles de segunda generación incluyen cultivos energéticos no comestibles específicamente cultivados, aceites no comestibles cultivados, desechos agrícolas y municipales, aceites usados y algas. [25] Sin embargo, los cultivos de cereales y azúcar también se utilizan como materia prima para tecnologías de procesamiento de segunda generación. Al evaluar la idoneidad del desarrollo de biomasa como materia prima para energía, se deben considerar el uso de la tierra, las industrias de biomasa existentes y las tecnologías de conversión relevantes. [26]
Las plantas están hechas de lignina , hemicelulosa y celulosa ; La tecnología de segunda generación utiliza uno, dos o todos estos componentes. Los cultivos energéticos lignocelulósicos comunes incluyen la paja de trigo , Arundo donax , Miscanthus spp., el álamo y el sauce de rotación corta . Sin embargo, cada uno ofrece diferentes oportunidades y ningún cultivo puede considerarse "mejor" o "peor". [27]
Los residuos sólidos urbanos comprenden una gama muy amplia de materiales y la generación total de residuos está aumentando. En el Reino Unido, las iniciativas de reciclaje reducen la proporción de residuos que se eliminan directamente y el nivel de reciclaje aumenta cada año. Sin embargo, siguen existiendo importantes oportunidades para convertir estos residuos en combustible mediante gasificación o pirólisis. [28]
Los residuos verdes, como los residuos forestales o los residuos de jardines o parques [29], pueden utilizarse para producir biocombustibles por diferentes vías. Los ejemplos incluyen biogás capturado a partir de desechos verdes biodegradables y gasificación o hidrólisis para obtener gas de síntesis para su posterior procesamiento en biocombustibles mediante procesos catalíticos .
El licor negro, el licor de cocción gastado del proceso kraft que contiene lignina concentrada y hemicelulosa , puede gasificarse con una eficiencia de conversión muy alta y un potencial de reducción de gases de efecto invernadero [30] para producir gas de síntesis para su posterior síntesis , por ejemplo, en biometanol o BioDME .
El rendimiento de tall oil crudo del proceso está en el rango de 30 a 50 kg/tonelada de pulpa. [31]
Los biocombustibles lignocelulósicos reducen las emisiones de gases de efecto invernadero entre un 60% y un 90% en comparación con el petróleo fósil (Börjesson.P. et al. 2013. Dagens och framtidens hållbara biodrivmedel), que está a la par con los mejores biocombustibles actuales de primera generación, donde Los mejores valores típicos actualmente son del 60% al 80%. En 2010, el ahorro medio de biocombustibles utilizados en la UE fue del 60 % (Hamelinck.C. et al. 2013 Renewable Energy Progress and Biofuels Sustainable, Informe para la Comisión Europea). En 2013, el 70% de los biocombustibles utilizados en Suecia redujeron las emisiones en un 66% o más. (Energimyndigheten 2014. Hållbara biodrivmedel och flytande biobränslen 2013).
En Canadá hay una planta de producción de etanol lignocelulósico en funcionamiento, dirigida por Iogen Corporation . [32] La planta a escala de demostración produce alrededor de 700.000 litros de bioetanol cada año. Se está construyendo una planta comercial. Se han propuesto muchas más plantas de etanol lignocelulósico en América del Norte y en todo el mundo.
La fábrica sueca de celulosa especializada Domsjö Fabriker en Örnsköldsvik , Suecia, desarrolla una biorrefinería utilizando la tecnología de gasificación de licor negro de Chemrec . [33] Cuando entre en funcionamiento en 2015, la biorrefinería producirá 140.000 toneladas de biometanol o 100.000 toneladas de BioDME por año, reemplazando el 2% de las importaciones suecas de combustible diesel para fines de transporte. En mayo de 2012 se reveló que Domsjö se retiró del proyecto, acabando efectivamente con el esfuerzo.
En el Reino Unido, empresas como INEOS Bio y British Airways están desarrollando refinerías avanzadas de biocombustibles, cuya construcción está prevista para 2013 y 2014, respectivamente. En condiciones económicas favorables y fuertes mejoras en el apoyo político, las proyecciones del NNFCC sugieren que los biocombustibles avanzados podrían cubrir hasta el 4,3 por ciento del combustible para el transporte del Reino Unido para 2020 y ahorrar 3,2 millones de toneladas de CO 2 cada año, lo que equivale a eliminar casi un millón de automóviles del mercado. camino. [27]
Helsinki, Finlandia, 1 de febrero de 2012 – UPM invertirá en una biorrefinería que produce biocombustibles a partir de tall oil crudo en Lappeenranta, Finlandia. La inversión a escala industrial es la primera de su tipo a nivel mundial. La biorrefinería producirá anualmente aproximadamente 100.000 toneladas de biodiésel avanzado de segunda generación para el transporte. La construcción de la biorrefinería comenzará en el verano de 2012 en la fábrica de UPM en Kaukas y finalizará en 2014. La inversión total de UPM ascenderá a aproximadamente 150 millones de euros. [34]
Calgary, Alberta, 30 de abril de 2012 – Iogen Energy Corporation ha acordado un nuevo plan con sus copropietarios Royal Dutch Shell e Iogen Corporation para reorientar su estrategia y actividades. Shell continúa explorando múltiples caminos para encontrar una solución comercial para la producción de biocombustibles avanzados a escala industrial, pero la compañía NO continuará con el proyecto que tenía en desarrollo para construir una instalación de etanol celulósico a mayor escala en el sur de Manitoba. [35]
En India, las compañías petroleras indias acordaron construir siete refinerías de segunda generación en todo el país. Las empresas que participarán en la construcción de plantas de biocombustibles 2G son Indian Oil Corporation (IOCL), HPCL y BPCL. [36] En mayo de 2018, el Gobierno de la India dio a conocer una política de biocombustibles en la que se asignó una suma de 5.000 millones de rupias para establecer biorrefinerías 2G. Las empresas indias de comercialización de petróleo estaban en proceso de construir 12 refinerías con un gasto de capital de 10.000 millones de rupias. [37]
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