Introducción a la bioenergía: materias primas, procesos y productos

Resumen

La bioenergía ofrece a los agricultores una alternativa a las fuentes de energía derivadas del petróleo y nuevas oportunidades de mercado para los productos agrícolas. Cuando las materias primas de biomasa se queman, se fermentan o se someten a un proceso de conversión de energía, devuelven algo de dióxido de carbono y agua, y liberan la energía del sol. Debido a que las plantas tienen la capacidad de almacenar y luego liberar energía de esta manera, actúan como una batería natural. Esta introducción a la bioenergía ofrece una visión general breve y no técnica de la producción de materias primas para bioenergía, con un análisis sobre cómo se genera la bioenergía.

El ciclo del carbono es la base de la bioenergía sostenible. Fuente: Estrategia de Bioenergía de Columbia Británica

Introducción

La bioenergía utiliza materias primas de biomasa renovable procedentes de diversas fuentes. Estas materias primas aprovechan el proceso de fotosíntesis de las plantas para capturar la energía solar, convirtiendo el dióxido de carbono (CO₂) del aire y el agua (H₂O) en carbohidratos y compuestos complejos de aceite y fibra formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. Estos carbohidratos, aceites y fibras, ricos en energía, pueden cosecharse y utilizarse para producir diversos tipos de bioenergía. Existen cientos de formas de convertir materiales biológicos en energía, aunque actualmente solo unas pocas representan oportunidades viables a corto plazo para el agricultor promedio o el propietario de tierras rurales.

La bioenergía se utilizó en procesos industriales mucho antes de que la electricidad generada a partir del petróleo y el carbón estuviera ampliamente disponible. Aunque se le presta mucha atención a la energía solar y eólica, las BTU (unidades térmicas británicas) de bioenergía generadas a partir de la biomasa representan el 53 por ciento de toda la energía renovable en los Estados Unidos, según la Administración de Información Energética (EIA). Esa cifra es mayor que la de todas las demás fuentes renovables juntas (EIA, 2009). Sin embargo, la bioenergía presenta un conjunto complejo de temas relacionados con la energía. Esta publicación abordará muchos de estos temas complejos, pero solo mencionará otros. Los temas que no se tratarán en detalle en esta publicación introductoria incluyen la mayoría de las consideraciones previas al procesamiento de la materia prima, tales como el transporte, el calibrado, el secado y el almacenamiento.

Conceptos básicos sobre las materias primas

El área de distribución geográfica de algunos cultivos bioenergéticos. Fuente: ORNL

La bioenergía se puede producir a partir de materias primas como árboles, cultivos agrícolas, residuos vegetales, partes de animales y muchos otros materiales biológicos. Las ventajas de una materia prima frente a otra varían según la región. Esto hace que la selección de la materia prima sea un factor clave en la producción de bioenergía.

Las materias primas pueden estar destinadas a la producción de energía o no. Las materias primas destinadas a este fin suelen denominarse «cultivos energéticos». Cada materia prima tiene ventajas y desventajas que pueden incluir la cantidad de biomasa utilizable que producen, los tipos de suelo requeridos, los insumos de agua y energía, la densidad energética, los beneficios para la calidad del aire, el costo de producción y otras consideraciones.

Materias primas: azúcar y aceite

Las materias primas para la producción de azúcar y aceite suelen incluir semillas, granos y plantas que contienen azúcar, almidón o aceite, así como grasas animales o sebo. Hoy en día, estas materias primas se utilizan con frecuencia para producir los combustibles biodiésel y etanol que todos conocemos.

Materias primas azucareras

Las dos materias primas bioenergéticas más comunes, utilizadas por su contenido de almidón y azúcar, son el maíz y la caña de azúcar. Más del 90 por ciento del etanol (o bioetanol, como a veces se le llama) todavía se produce a partir del maíz en Estados Unidos. El mayor productor mundial de etanol es Brasil. Brasil utiliza la caña de azúcar como materia prima principal. Dado que la fermentación produce alcoholes, cuanto mayor sea el rendimiento de azúcares fermentables en la materia prima, mayor será el rendimiento de alcoholes. Como la fermentación puede transformar casi cualquier almidón en azúcar, otras materias primas pueden incluir la cebada, el mijo, el trigo, las papas, la remolacha azucarera, el suero de queso, los desechos de cervecerías y de bebidas, y muchas otras. Muchas de estas materias primas cumplen múltiples funciones, ya sea como alimentos o como fuentes de combustible.

Materias primas oleaginosas

Cosecha de canola (colza) para la producción de aceite. Foto: NREL

Las plantas que tienen semillas ricas en aceite, a las que con frecuencia se les llama semillas oleaginosas, pueden ser una fuente sostenible de bioenergía. Entre los cultivos oleaginosos comunes en Estados Unidos se encuentran la soya, la canola, el girasol, la camelina, el cártamo y la semilla de algodón. La camelina es un cultivo de ciclo corto que se adapta bien al doble cultivo y crece bien en climas más fríos, como el norte del Medio Oeste. En comparación, muchas variedades de girasol son ideales para los climas más cálidos del sur. La canola (una variedad de colza) es particularmente adecuada para regiones más frías, con variedades adaptadas tanto para la siembra de primavera como de otoño, lo que permite obtener múltiples cosechas de semillas oleaginosas. Es posible que la estación experimental agrícola de su estado, el Servicio de Extensión Cooperativa o el Servicio de Conservación de Recursos Naturales (NRCS) cuenten con información sobre cultivos de semillas oleaginosas específicos que se adapten bien a su ubicación, así como sobre las mejores rotaciones para la mejora del suelo, las necesidades hídricas y el manejo de plagas. Consulte la publicación de ATTRA Biodiésel: Las dimensiones de la sostenibilidad para obtener más información sobre las materias primas de semillas oleaginosas.

Materias primas celulósicas

Las materias primas derivadas de la celulosa (el componente principal de las paredes celulares de las plantas), como los álamos, los sauces y el pasto varilla, están generando gran entusiasmo entre los agricultores, los científicos y el público en general. Estas partes fibrosas y, por lo general, no comestibles de las plantas son abundantes y pueden recolectarse en diversas regiones o cultivarse directamente por los agricultores. Aunque actualmente el mercado para las materias primas bioenergéticas celulósicas es muy limitado en Estados Unidos, algunas empresas ya están comprando biomasa celulósica para la producción de pellets y para la co-combustión (quema de biomasa junto con carbón). Unas pocas empresas tienen la intención de iniciar la producción comercial de etanol celulósico. Se espera que la demanda de biomasa celulósica amplíe las oportunidades de mercado en un futuro cercano.

Álamos híbridos de rotación corta. Foto: NREL

Los cultivos energéticos pueden cultivarse en granjas utilizando prácticas similares a las que se emplean con otros cultivos agrícolas. Los árboles y los pastos, en particular los que son nativos de una región, pueden producirse de manera sostenible cuando se cultivan con insumos mínimos, como agua, fertilizantes y productos químicos. Los árboles que vuelven a crecer después de cada cosecha pueden ser podados (cortados repetidamente a nivel del suelo), lo que permite cosecharlos varias veces. Las variedades leñosas que vuelven a crecer rápidamente sin necesidad de replantarse se denominan cultivos leñosos de rotación corta. También se están probando y utilizando como materia prima variedades perennes de pastos y leguminosas. Se están investigando muchos cultivos energéticos para evaluar su potencial bioenergético.

Residuos agrícolas

Los residuos generados por los productos forestales y la agricultura también pueden utilizarse como materias primas celulósicas. El Departamento de Energía de EE. UU. ha estimado que, para mediados del siglo XXI, se podrían recolectar entre 581 y 998 millones de toneladas secas de residuos agrícolas —como el rastrojo de maíz y la paja de trigo (los tallos y las hojas que quedan en el campo después de la cosecha)— para la producción de biocombustibles (DOE, 2005). Sin embargo, las investigaciones también han demostrado que menos del 25 por ciento de algunos residuos agrícolas podrían recolectarse de manera sostenible con las prácticas agrícolas actuales, ya que los residuos de los cultivos son fundamentales para la fertilidad del suelo (Graham et al., 2007). Los resultados de los estudios varían ampliamente en cuanto a la cantidad de residuos agrícolas que pueden recolectarse de manera sostenible. Lo que sí es cierto es que, cuando se dejan en el campo, los residuos agrícolas ayudan a restaurar la estructura del suelo, protegen los suelos agrícolas y capturan carbono. Es poco probable que la recolección de residuos agrícolas sea sostenible a menos que se adopten plenamente las mejores prácticas de manejo agrícola, como los cultivos de cobertura, la siembra directa y una mejor gestión de los fertilizantes, entre otras prácticas (Marshall y Zugg, 2008).

Estiércol animal

El estiércol se utiliza como materia prima en los digestores anaeróbicos principalmente para producir gas que se quema con el fin de generar electricidad. Aunque existen importantes problemas ambientales y de bienestar animal asociados con las explotaciones ganaderas intensivas, estas grandes operaciones recurren cada vez más a la digestión del estiércol para controlar diversos problemas ambientales, reducir los olores, generar bioenergía para la granja y obtener ingresos adicionales mediante la venta de energía.

La producción de bioenergía

Las materias primas requieren un proceso de conversión para transformar las materias primas en bioenergía útil, como electricidad, biodiésel, etanol, biobutanol, metano, calor y otros productos bioenergéticos. Ten en cuenta que la cosecha, el secado hasta alcanzar el contenido de humedad adecuado, el transporte al lugar necesario y el suministro de una cantidad suficiente de biomasa son aspectos importantes que solo se mencionan brevemente en esta introducción a la bioenergía. Cada tipo de materia prima puede requerir un proceso de conversión ligeramente diferente, pero muchas materias primas pueden convertirse utilizando procesos y tecnologías similares.

Conversión termoquímica

El calentamiento de la biomasa favorece una reacción química (un proceso termoquímico) y genera productos bioenergéticos útiles, como gases, líquidos y calor. La electricidad generada a partir de la biomasa se conoce como bioenergía, y la combinación de calor y energía eléctrica se denomina comúnmente cogeneración o generación combinada de calor y energía (CHP). La eficiencia general de estos sistemas integrados es significativamente mayor que la de cualquiera de los sistemas por separado.

Esta planta de energía de biomasa de combustión directa, de 21 megavatios, utiliza residuos de madera desechados de huertos y operaciones industriales. Foto: NREL

La combustión en una caldera de vapor de combustión directa o convencional

La quema de materias primas para generar energía se ha practicado durante muchos años. Uno de los métodos comerciales más antiguos para producir electricidad consiste en quemar madera o carbón vegetal para generar vapor. El vapor se canaliza hacia una turbina que hace girar un generador utilizado para producir electricidad, o bioenergía. Un problema que presenta la quema de materias primas en una caldera de vapor es que se pierde una gran cantidad de energía en el proceso de conversión. El preprocesamiento de la biomasa mediante la peletización, la torrefacción (sobrecalentamiento en un ambiente con bajo contenido de oxígeno) o la fabricación de briquetas de biomasa compactadas ha ayudado a mejorar la eficiencia de la quema de biomasa leñosa. Estos procesos son costosos y no siempre son rentables, dados los precios actuales de los combustibles fósiles.

Cocomposición

La combustión conjunta de biomasa leñosa y pastos ricos en fibra con carbón puede reducir las emisiones de dióxido de carbono en comparación con la quema exclusiva de carbón. Muchas materias primas de origen vegetal tienen un contenido de azufre más bajo que el carbón, lo que reduce los gases sulfurosos, incluido el dióxido de azufre. Se ha demostrado con éxito que la combustión conjunta de materias primas de origen vegetal puede reemplazar hasta un 20 por ciento del carbón utilizado en la caldera, según el Programa Federal de Administración de Energía (2004). Sin embargo, la rentabilidad de la co-combustión no ha sido, en general, favorable dados los precios históricos de los combustibles fósiles. Si planeas producir materias primas para la co-combustión, debes analizar cuidadosamente las oportunidades de mercado en tu zona y buscar contratos de suministro a largo plazo.

Calor para procesos térmicos y calefacción de espacios

La quema directa de biomasa puede utilizarse tanto para producir calor industrial como para la calefacción de espacios. El calor industrial es fundamental para muchos procesos de fabricación y se utiliza en diversas aplicaciones agrícolas, como el secado de granos y cultivos. La calefacción de espacios es el uso más común. Tanto las calderas grandes en las instalaciones industriales como las estufas pequeñas en los talleres se utilizan con frecuencia para la calefacción de espacios. La leña, las astillas de madera y el heno pueden utilizarse tanto para el calor industrial como para la calefacción de espacios, y están fácilmente disponibles en la granja.

Gasificación térmica

La gasificación convierte las materias primas en gases combustibles denominados gas de síntesis (syngas), que pueden utilizarse para producir calor, combustibles para motores, bioenergía, productos químicos y para otros fines. El gas de síntesis también se conoce a veces como gas de generador, gas de madera y gas de ciudad. Los gases de síntesis generalmente se transforman en otros productos combustibles, como etanol, metanol, hidrógeno y amoníaco, mediante procesos como el de Fischer-Tropsch. Estos combustibles y procesos se analizarán más adelante en esta publicación. La gasificación ocurre a temperaturas que, por lo general, oscilan entre 1,202 y 1,832 grados Fahrenheit (de 650 a 1,000 grados Celsius) y limita deliberadamente la combustión con el fin de convertir las materias primas en productos intermedios útiles que se utilizarán como energía posteriormente (Sadaka, 2010). La gasificación expone la materia prima a una cierta cantidad de oxígeno, pero no lo suficiente como para permitir que se queme. La eficiencia de conversión de los sistemas de gasificación es alta, por lo general entre el 80 y el 85 por ciento al tomar una materia prima en bruto y convertirla en gas de síntesis (NREL, sin fecha). El control de la temperatura, la presión, las características de la materia prima y otros aspectos modifica la densidad energética y la composición del gas de síntesis.

Se puede encontrar más información sobre la gasificación en elsitio web de Sun Grant BioWeb, un sitio web educativo y sin fines de lucro que ofrece información actualizada sobre los recursos de biomasa para la bioenergía y los bioproductos.

Pirólisis

El término «pirólisis» proviene de las palabras griegas «pyro», que significa «fuego», y «lysys», que significa «descomposición». La pirólisis es un método para producir gas de síntesis y biocrudo, también conocido como bioaceite o aceite de pirólisis. La pirólisis utiliza la descomposición térmica mediante el calentamiento de la biomasa a temperaturas que suelen superar los 400 grados F (204 grados C). El biocrudo se forma cuando el gas de síntesis producido durante la pirólisis se recondensa en biocrudo líquido. Existen pocas oportunidades para utilizar el biocrudo sin refinar directamente en la granja y el mercado es limitado. El biocrudo puede refinarse para obtener combustibles de hidrocarburos de alta calidad, como diésel, gasolina y combustible para aviones. Estos combustibles líquidos pueden utilizarse en motores de combustión interna como sustitutos químicamente idénticos a los combustibles derivados del petróleo.

Las variables de la pirólisis, como la temperatura, la presión, las velocidades de reacción y otros factores, producen una amplia variedad de productos intermedios gaseosos, líquidos y sólidos. Sin embargo, por lo general, los procesos de pirólisis con temperaturas más altas y velocidades de reacción más rápidas son los más eficientes para producir biocrudo. El proceso de pirólisis conocido como pirólisis rápida o de alta temperatura presenta velocidades de reacción más elevadas (superiores a 1,000 grados F o 538 grados C). Este proceso puede utilizarse para optimizar la producción de biocrudo o de carbón vegetal. Los procesos de pirólisis a baja temperatura se utilizan generalmente para producir carbón vegetal. Tanto la pirólisis como la gasificación son procesos complejos que requieren condiciones similares a las de un laboratorio para producir de manera consistente productos de bioenergía.

El biocarbón es un tipo de carbón vegetal con un alto contenido de carbono orgánico y es un coproducto de la pirólisis de la biomasa. El biocarbón ofrece numerosos beneficios potenciales para la agricultura (Iniciativa Internacional del Biocarbón, sin fecha). En la actualidad, existen sistemas de pirólisis de biomasa para la producción de biocrudo y biocarbón en unidades de demostración de menor tamaño, pero se están construyendo algunas instalaciones a mayor escala.

Para obtener más información sobre el biocarbón, consulta la publicación de ATTRA «Biochar y agricultura sostenible». Se puede encontrar más información sobre la pirólisis en elsitio web de Sun Grant BioWeb.

Proceso Fischer-Tropsch

El proceso Fischer-Tropsch convierte el gas de síntesis, que por lo general se produce durante la gasificación, en combustibles líquidos sin refinar, como el biocrudo. El proceso Fischer-Tropsch suele llevarse a cabo en un entorno presurizado y a alta temperatura. Este proceso convierte químicamente un gas compuesto generalmente por monóxido de carbono e hidrógeno en combustibles líquidos o aceites que luego pueden quemarse en un motor de combustión interna y utilizarse para producir otros combustibles. Los líquidos del proceso Fischer-Tropsch pueden refinarse aún más para obtener combustibles de hidrocarburos, como la gasolina y el diésel, y utilizarse como sustitutos directos de los combustibles derivados del petróleo.

Proceso Haber-Bosch

El proceso Haber-Bosch es una reacción de síntesis entre nitrógeno gaseoso, hidrógeno gaseoso y un catalizador de hierro. El proceso Haber-Bosch suele utilizarse en combinación con el reformado con vapor del gas natural o del carbón para obtener hidrógeno gaseoso con el fin de producir amoníaco. A menudo, se denomina «proceso Haber-Bosch» al proceso completo de producción de amoníaco.

El hidrógeno gaseoso para el proceso Haber-Bosch se puede producir utilizando electricidad generada a partir de energía eólica, solar, hidráulica, biomasa y otros recursos renovables. En lugar de usar gas natural o carbón para producir hidrógeno, se utiliza energía renovable para electrolizar el agua y producir hidrógeno. Esto ofrece la ventaja de generar menos emisiones de dióxido de carbono, pero normalmente ha requerido grandes cantidades de energía y sigue siendo prohibitivamente costoso debido al bajo precio del gas natural y el carbón.

La energía eólica puede utilizarse para electrolizar el agua y producir hidrógeno, un componente clave del amoníaco. Foto: Centro de Energías Renovables de la Universidad de Minnesota

Amoníaco

El amoníaco producido durante el proceso Haber-Bosch puede utilizarse en motores de combustión interna modificados como combustible líquido alternativo. El amoníaco tiene aproximadamente la mitad de la energía de la gasolina y puede generarse a partir de una variedad de fuentes de energía renovables. Los agricultores con experiencia en la aplicación de amoníaco saben que existen muchos riesgos asociados con su manejo y uso. El uso generalizado del amoníaco como combustible líquido para vehículos requerirá inversiones sustanciales en almacenamiento y manejo seguros, así como mejoras en la infraestructura de transporte.

Metanol

Bombas de metanol y etanol. Foto: NREL

El metanol, o alcohol de madera, se produce generalmente a partir del metano durante el reformado con vapor del gas natural y el carbón. El metano producido a partir de la digestión anaeróbica del estiércol (que se analiza a continuación) también puede ser una opción, pero suele tener un costo prohibitivo. El metanol puede utilizarse como sustituto de la gasolina con algunas modificaciones en el motor, pero solo tiene aproximadamente la mitad de la densidad energética de la gasolina. El metanol también puede convertirse en combustibles sintéticos, como el dimetiléter (DME), para usarse como sustituto del diésel, con emisiones significativamente más bajas y aproximadamente la mitad de la densidad energética del diésel. El metanol ya se utiliza comúnmente en el proceso de transesterificación para producir biodiésel, tema que se aborda más adelante.

Conversión bioquímica

Las bacterias, las levaduras y otras enzimas vivas fermentan sustancias como los azúcares y las proteínas, y las convierten en alcoholes útiles u otros combustibles líquidos. Estos procesos se conocen como procesos de conversión bioquímica. El etanol de maíz y otros alcoholes derivados de granos son algunos de los combustibles más comunes que se producen de esta manera. Otros métodos incluyen la captura del metano que se genera cuando las bacterias descomponen el estiércol procedente de la producción ganadera y avícola, las aguas residuales humanas y los residuos de los vertederos, para quemarlo con el fin de generar calor y bioenergía.

La digestión anaeróbica genera una variedad de líquidos y sólidos ricos en nutrientes que pueden utilizarse en la granja. Foto: USDA ERS

Digestión anaeróbica

Los digestores anaeróbicos descomponen (o digieren) la materia orgánica sin oxígeno (anaeróbicamente) para producir metano y otros gases y coproductos útiles en la granja. A esta mezcla de gases se le conoce comúnmente como biogás o gas de digestor. El biogás es un combustible y normalmente contiene entre un 50 y un 60 por ciento de metano. El biogás puede quemarse en un motor para generar bioenergía y energía térmica, o procesarse posteriormente para obtener otros tipos de combustible, como el metanol. El biogás refinado puede utilizarse como gas natural comprimido (GNC) y gas natural licuado (GNL) en automóviles, entre otros usos. Los subproductos de la digestión anaeróbica pueden utilizarse como enmiendas del suelo y fertilizantes líquidos. Para obtener más información, consulte la publicación de ATTRA Digestión anaeróbica de desechos animales: factores a considerar.

Biocombustibles celulósicos y el ciclo del carbono. Fuente: Departamento de Energía de EE. UU.

Fermentación (para la producción de etanol)

El etanol, un alcohol utilizado como combustible, se obtiene a partir de fuentes biológicas y, por lo general, se produce mediante la fermentación de almidones y azúcares vegetales. En Estados Unidos, el maíz es la fuente más común de almidón que se convierte en etanol, mientras que la cebada, el mijo, el almidón de trigo, las papas, el suero de leche y los residuos de cervecerías y bebidas representan una parte menor de la producción. El etanol también se puede producir a partir de la caña de azúcar, que tiene un alto contenido de los azúcares necesarios para la fermentación. Según la Asociación de Combustibles Renovables, Estados Unidos produjo 9 mil millones de galones de etanol en 2008 y se vendieron 22 millones de toneladas métricas de granos de destilería, un subproducto del proceso de fabricación de etanol (2008).

El etanol a partir del maíz y otros granos se puede producir mediante un proceso de molienda en seco o en húmedo. El proceso de molienda en seco utiliza el grano de maíz entero, el cual se muele hasta convertirlo en polvo, se mezcla con agua para formar un mosto y luego se cuece con enzimas añadidas que transforman el almidón licuado en glucosa (azúcar). Después de enfriarse, el mosto se fermenta con una segunda enzima (levadura) y, finalmente, se destila nuevamente para separar el alcohol de los sólidos y el agua. Los coproductos del proceso de molienda en seco incluyen el grano de destilería, que se utiliza como alimento para animales (también conocido como grano seco de destilería con solubles o DDGS) y dióxido de carbono.

El proceso de molienda húmeda consiste en remojar el grano de maíz en agua y ácido sulfuroso antes de molerlo hasta obtener una pasta. Este remojo separa el germen (aceite), la fibra, el gluten (proteína) y los componentes del almidón. El almidón se fermenta para producir etanol y luego se destila; del germen se extrae el aceite de maíz, y tanto la fibra como los demás componentes del almidón se separan. Si bien la molienda en seco proporciona coproductos valiosos como los DDGS, el proceso de molienda húmeda también se utiliza para producir aceite de maíz, gluten de maíz y harina de maíz.

Al igual que con el etanol producido a partir de granos con almidón, el procesamiento de materia prima celulósica para producir etanol tiene como objetivo extraer el almidón fermentable de la materia prima. Sin embargo, los almidones que se encuentran en la celulosa son difíciles de extraer porque están encerrados en carbohidratos complejos llamados polisacáridos (cadenas largas de azúcares simples). Para producir etanol a partir de celulosa de manera eficiente, estas cadenas de azúcares simples deben romperse antes de la fermentación. La fermentación de los azúcares de la celulosa para producir etanol es menos eficiente que la fermentación directa de los azúcares, aunque el etanol obtenido de cualquiera de las dos fuentes es químicamente idéntico.

Un vehículo de ButylFuel recorrió Estados Unidos utilizando 100 % de biobutanol. Foto: ButylFuel, LLC

La conversión de la celulosa en azúcar se lleva a cabo, por lo general, mediante uno de dos procesos. El primero utiliza la hidrólisis ácida (un método para dividir las moléculas de agua) para descomponer los carbohidratos complejos en azúcares simples. El segundo utiliza una combinación de pretratamiento para descomponer la estructura celular de la materia prima y la hidrólisis enzimática para la producción de azúcares fermentables. El etanol celulósico también puede producirse mediante la gasificación, que es un proceso termoquímico.

Biobutanol

El biobutanol es muy similar a la gasolina y se produce de manera muy parecida al etanol. El biobutanol se produce mediante la fermentación de acetona-butanol-etanol (ABE). El biobutanol tiene una densidad energética entre un 10 y un 20 por ciento menor que la de la gasolina y ligeramente mayor que la del etanol. La Agencia de Protección Ambiental (EPA) permite que el biobutanol se mezcle con gasolina en una proporción de hasta el 11,5 por ciento. Las mezclas con mayor proporción de biobutanol tienen restricciones más estrictas y pueden requerir modificaciones en los motores de combustión interna (DOE, sin fecha). En muchos casos, el biobutanol puede distribuirse al usuario final mediante la infraestructura existente de tuberías y almacenamiento. Sin embargo, el biobutanol es tóxico para los seres humanos y es soluble en agua, lo que significa que puede llegar fácilmente a las fuentes de agua.

El biodiésel se mezcla con diésel derivado del petróleo para producir B99 y mezclas con menor contenido de biodiésel. Foto: Leif Kindberg

Transesterificación para la producción de diésel renovable

La transesterificación es un proceso químico en el que se hace reaccionar un alcohol con los triglicéridos contenidos en los aceites vegetales y las grasas animales para producir biodiésel y glicerina. Este proceso se utiliza comúnmente para producir biodiésel B100, es decir, biodiésel al 100 por ciento para mezclar con diésel derivado del petróleo. El biodiésel es, en esencia, aceite vegetal o grasa animal diluido de manera permanente, con una viscosidad similar a la del combustible diésel estándar n.º 2 derivado del petróleo. El biodiésel es químicamente diferente del diésel derivado del petróleo porque contiene átomos de oxígeno y no es un hidrocarburo puro. Para obtener más información sobre el biodiésel, consulte la publicación de ATTRA Uso, manejo y calidad del combustible del biodiésel.

Otro tipo de diésel renovable, conocido como diésel verde o diésel renovable derivado de la hidrogenación, se asemeja más al diésel derivado del petróleo, pero utiliza muchas de las mismas materias primas de aceites vegetales y grasas animales que se emplean en la producción de biodiésel. El diésel verde se produce mediante una reacción química conocida como hidrocraqueo o hidrotratamiento. El hidrocraqueo es un proceso en el que se agrega hidrógeno a moléculas orgánicas bajo presión y calor. Una ventaja importante del diésel verde es que puede producirse como un sustituto químicamente idéntico al diésel de petróleo.

Aceite vegetal puro (SVO)

La viscosidad (espesor) del aceite vegetal puro puede provocar la acumulación de residuos al quemarse en un motor no modificado. Sin embargo, existen motores que funcionan con aceite vegetal puro y también hay kits de modificación disponibles. Con el filtrado, el calentamiento y la conversión adecuados de un motor diésel, el aceite vegetal puro ofrece una alternativa parcial al combustible diésel de origen biológico o al diésel n.º 2 a base de petróleo. Para obtener más información sobre el aceite vegetal puro, consulte la publicación de ATTRA Uso, manejo y calidad del combustible de biodiésel.

Conclusión

Gracias a su papel en el ciclo del carbono, la bioenergía puede reducir las emisiones directas, como el dióxido de carbono (CO₂), en comparación con la energía derivada del petróleo. Por ejemplo, cuando se cultivan materias primas de biomasa, estas absorben dióxido de carbono del aire y lo utilizan para formar tallos, raíces, hojas y semillas. Cuando se quema biodiésel derivado de semillas oleaginosas, el dióxido de carbono y otras emisiones se liberan de nuevo al aire y son absorbidas nuevamente por el cultivo energético del año siguiente, completando así el ciclo del carbono. En comparación, cuando se queman combustibles fósiles como el carbón o los derivados del petróleo, todo el dióxido de carbono liberado se suma al dióxido de carbono ya presente en el aire (NREL, 2008). Sin embargo, no toda la bioenergía es igual de eficaz para reducir las emisiones. Hay muchos factores complejos que se deben considerar al pensar en la producción de biomasa y bioenergía en las granjas.

Algunos aspectos que hay que tener en cuenta son:

• ¿Existe un mercado local para mi materia prima o combustible, o puedo utilizarla en la granja para compensar los costos de energía?
• ¿La cantidad de fertilizante y energía que se utiliza durante la producción de mi materia prima tendrá un impacto positivo o negativo en el medio ambiente?
• ¿La conversión de mi terreno, que ya no se utiliza para la producción agrícola, a un uso productivo (cambio indirecto en el uso de la tierra) generará gases de efecto invernadero adicionales?
• ¿Cuánta energía se consumirá durante el transporte de las materias primas?
• ¿Cuánta energía se consumirá durante la conversión de la materia prima?
• ¿La bioenergía aportará beneficios netos positivos a mi granja y al medio ambiente una vez que se sumen todos los costos económicos, energéticos y ambientales?

Esta publicación no ofrece respuestas a todas estas preguntas y pretende ser un punto de partida para aprender sobre la bioenergía. No es una guía de referencia completa, por lo que te invitamos a explorar todas las publicaciones y recursos adicionales que ofrece ATTRA, así como los que se incluyen en la sección «Recursos adicionales» que sigue a continuación.

Recursos adicionales

Materias primas y recursos para la producción de bioenergía

Para consultar un glosario de términos relacionados con la bioenergía, véase el Glosario de la Oficina de Tecnologías de Bioenergía de Energy.gov.

El Centro de Datos sobre Combustibles Alternativos y Vehículos Avanzadosofrece información sobre la producción, la distribución y los beneficios del biobutanol, el biodiésel, el etanol, el hidrógeno, el metanol, el gas natural, el propano, el diésel con contenido ultrabajo de azufre, el biogás, los combustibles de la serie p y mucho más.

Journey to Foreveres una pequeña organización no gubernamental con sede en Japón que se dedica al desarrollo rural en el Tercer Mundo. El sitio web también ofrece mucha información sobre biocombustibles y otras tecnologías apropiadas.

Sun Grant BioWebofrece información tanto técnica como no técnica sobre la biomasa, las tecnologías de conversión de bioenergía, la economía de la biomasa y las políticas relacionadas.

El Centro de Información sobre Bioenergía es un útil portal de acceso a recursos sobre biomasa del Departamento de Energía de EE. UU., el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el Laboratorio Nacional de Idaho, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable y otras organizaciones de investigación.

El Centro de Recursos para la Comercialización Agrícolaofrece información sobre la agricultura de valor agregado, incluidas las materias primas para bioenergía.

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable(NREL) es un recurso educativo que abarca los biocombustibles, la bioenergía, los bioproductos y otras tecnologías energéticas para granjas y ranchos.

Recursos adicionales en línea

Consejo Nacional del Biodiésel

Asociación de Combustibles Renovables

Asociación de Energía del Amoníaco

Iniciativa Internacional del Biochar

Departamento de Energía de EE. UU. — Eficiencia energética y energía renovable

Iniciativa Sun Grant

El programa AgSTAR

Revista BioCycle

Revista Home Power

Mesa redonda sobre biocombustibles sostenibles

Introducción a la bioenergía: materias primas, procesos y productos
Por Leif Kindberg, especialista en energía agrícola del NCAT
©NCAT
IP359

Esta publicación ha sido elaborada por el NCAT a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del USDA.