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, fermentan o reaccionan mediante un proceso de conversión energética, devuelven dióxido de carbono y agua y liberan la energía del sol. Dado 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 numerosas fuentes. Estas materias primas aprovechan el proceso de fotosíntesis de las plantas para capturar la energía solar, transformando 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 recolectarse y utilizarse para producir diversos tipos de bioenergía. Existen cientos de formas de convertir los materiales biológicos en energía, aunque actualmente solo unas pocas representan oportunidades viables a corto plazo para el agricultor medio o el propietario de tierras rurales.

La bioenergía se utilizaba en procesos industriales mucho antes de que la electricidad generada a partir del petróleo y el carbón estuviera ampliamente disponible. Aunque se 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 % de toda la energía renovable en Estados Unidos, según la Administración de Información Energética. Esa cifra supera la suma de todas las demás fuentes renovables juntas (EIA, 2009). Sin embargo, la bioenergía plantea un conjunto complejo de cuestiones energéticas. Esta publicación abordará muchos de estos temas complejos, pero solo mencionará otros. Entre los temas que no se tratarán en detalle en esta publicación introductoria se incluyen la mayoría de las consideraciones previas al procesamiento de la materia prima, como el transporte, el calibrado, el secado y el almacenamiento.

Conceptos básicos sobre las materias primas

Distribución geográfica de algunos cultivos bioenergéticos. Fuente: ORNL

La bioenergía puede producirse 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 presenta ventajas e inconvenientes que pueden incluir la cantidad de biomasa aprovechable que producen, los tipos de suelo necesarios, los insumos de agua y energía, la densidad energética, los beneficios para la calidad del aire, el coste de producción y otras consideraciones.

Materias primas azucareras y oleaginosas

Las materias primas azucareras y oleaginosas suelen incluir semillas, cereales y plantas que contienen azúcar, almidón o aceite, así como grasas animales o sebo. Hoy en día, estas materias primas se utilizan a menudo para producir los combustibles biodiésel y etanol que todos conocemos.

Materias primas azucareras

Las dos materias primas bioenergéticas más comunes, utilizadas por su contenido en almidón y azúcar, son el maíz y la caña de azúcar. En Estados Unidos, más del 90 % del etanol (o bioetanol, como se le denomina a veces) sigue produciéndose a partir del maíz. 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 es el rendimiento de azúcares fermentables en la materia prima, mayor es el rendimiento de alcoholes. Puesto que la fermentación puede transformar casi cualquier almidón en azúcar, otras materias primas pueden incluir cebada, mijo, trigo, patatas, remolacha azucarera, suero de queso, residuos de cervecerías y bebidas, y muchas otras. Muchas de estas materias primas cumplen múltiples funciones, ya sea como fuente de alimento o de combustible.

Materias primas oleaginosas

Cosecha de colza para la producción de aceite. Foto: NREL

Las plantas con semillas ricas en aceite, a las que a menudo se denomina «semillas oleaginosas», pueden constituir una fuente sostenible de bioenergía. Entre los cultivos oleaginosos más comunes en Estados Unidos se encuentran la soja, la colza, 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 del norte del Medio Oeste. En comparación, muchas variedades de girasol son muy adecuadas para los climas más cálidos del sur. La colza (una variedad de la semilla de nabo) es especialmente adecuada para las regiones más frías, con variedades adaptadas tanto para la siembra de primavera como de otoño, lo que permite obtener múltiples cosechas de semillas oleaginosas. La estación experimental agrícola de su estado, el Servicio de Extensión Cooperativa o el Servicio de Conservación de Recursos Naturales (NRCS) pueden disponer de información sobre cultivos de semillas oleaginosas específicos que se adaptan bien a su ubicación, así como sobre las mejores rotaciones para la mejora del suelo, las necesidades hídricas y el control 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 el álamo, el sauce y el pasto varilla, están despertando un gran interés 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 de materias primas bioenergéticas celulósicas es muy limitado en Estados Unidos, algunas empresas están comprando biomasa celulósica para la producción de pellets y para la cocombustión (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 próximo.

Álamos híbridos de rotación corta. Foto: NREL

Los cultivos energéticos pueden cultivarse en explotaciones agrícolas utilizando prácticas similares a las que se emplean con otros cultivos agrícolas. Los árboles y las gramíneas, especialmente los autóctonos de una región, pueden producirse de forma sostenible cuando se cultivan con un mínimo de insumos, como agua, fertilizantes y productos químicos. Los árboles que vuelven a crecer tras cada cosecha pueden ser podados (cortados repetidamente a ras de 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 determinar su potencial bioenergético.

Residuos agrícolas

Los residuos procedentes de la industria forestal y la agricultura también pueden utilizarse como materias primas celulósicas. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha estimado que, para mediados del siglo XXI, podrían recolectarse 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 tras la cosecha)— para la producción de biocombustibles (DOE, 2005). Sin embargo, las investigaciones también han demostrado que menos del 25 % de algunos residuos agrícolas podrían recolectarse de forma 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 forma sostenible. Lo que es seguro 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 retirada de residuos agrícolas sea sostenible a menos que se adopten plenamente las mejores prácticas de gestión agrícola, como los cultivos de cobertura, la producción sin labranza 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 medioambientales y de bienestar animal asociados a las explotaciones ganaderas intensivas, estas grandes explotaciones recurren cada vez más a la digestión del estiércol para controlar diversos problemas medioambientales, reducir los olores, generar bioenergía para la explotación y obtener ingresos adicionales mediante la venta de energía.

La producción de bioenergía

Las materias primas requieren un proceso de conversión para transformar los recursos naturales en bioenergía útil, como electricidad, biodiésel, etanol, biobutanol, metano, calor y otros productos bioenergéticos. Hay que tener 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 transformarse 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 denomina «bioenergía», y la combinación de calor y electricidad se conoce comúnmente como «cogeneración» o «generación combinada de calor y electricidad» (CHP). La eficiencia global de estos sistemas integrados es significativamente mayor que la de cualquiera de los sistemas por separado.

Esta central de bioenergía de combustión directa, de 21 megavatios, utiliza residuos de madera procedentes de huertos y de actividades industriales. Foto: NREL

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

La quema de materias primas con fines energéticos se lleva practicando desde hace 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 conduce a una turbina que hace girar un generador utilizado para producir electricidad, o bioenergía. Uno de los problemas de 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 pretratamiento de la biomasa mediante peletización, torrefacción (sobrecalentamiento en un entorno con bajo contenido de oxígeno) o la fabricación de briquetas de biomasa condensada ha ayudado a mejorar la eficiencia de la quema de biomasa leñosa. Estos procesos son costosos y no siempre resultan rentables dados los precios actuales de los combustibles fósiles.

Co-combustión

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 inferior al del carbón, lo que reduce los gases sulfurosos, incluido el dióxido de azufre. Según el Programa Federal de Gestión Energética (2004), se ha demostrado con éxito que la combustión conjunta de materias primas de origen vegetal puede sustituir hasta un 20 % del carbón utilizado en la caldera. Sin embargo, la rentabilidad de la co-combustión no ha sido, en general, favorable con los precios históricos de los combustibles fósiles. Si tiene previsto producir materias primas para la co-combustión, debe considerar cuidadosamente las oportunidades de mercado en su zona y buscar contratos de suministro a largo plazo.

Calor para procesos térmicos y calefacción

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

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 suelen transformarse en otros productos combustibles, como etanol, metanol, hidrógeno y amoníaco, mediante procesos como el de Fischer-Tropsch. Estos combustibles y procesos se tratarán más adelante en esta publicación. La gasificación se produce a temperaturas que suelen oscilar entre los 1.202 y los 1.832 grados Fahrenheit (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 posteriormente como energía (Sadaka, 2010). La gasificación expone la materia prima a una cierta cantidad de oxígeno, pero no la suficiente como para permitir que se queme. La eficiencia de conversión de los sistemas de gasificación es alta, situándose normalmente entre el 80 % y el 85 % a la hora de convertir la materia prima 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.

Para más información sobre la gasificación, consulte lapágina web deSun Grant BioWeb, un sitio web educativo y sin ánimo de lucro que ofrece información actualizada sobre los recursos de biomasa para la bioenergía y los bioproductos.

Pirólisis

El término «pirólisis» deriva 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 se basa en la descomposición térmica mediante el calentamiento de la biomasa a temperaturas que suelen superar los 400 °F (204 °C). El biocrudo se forma cuando el gas de síntesis producido durante la pirólisis se recondensa en biocrudo líquido. Hay pocas oportunidades para utilizar el biocrudo sin refinar directamente en la explotación agrícola 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, dan lugar a una amplia variedad de productos intermedios gaseosos, líquidos y sólidos. Sin embargo, por lo general, los procesos de pirólisis con temperaturas más elevadas y velocidades de reacción más rápidas son los más eficaces para producir biocrudo. El proceso de pirólisis conocido como pirólisis rápida o de alta temperatura presenta velocidades de reacción más elevadas (superiores a 1000 °F o 538 °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 forma consistente productos bioenergéticos.

El biochar es un tipo de carbón vegetal con un alto contenido en carbono orgánico y que se obtiene como subproducto de la pirólisis de la biomasa. El biochar ofrece numerosos beneficios potenciales para la agricultura (Iniciativa Internacional del Biochar, sin fecha). En la actualidad, existen sistemas de pirólisis de biomasa para la producción de biocrudo y biochar en forma de pequeñas unidades de demostración, aunque se están construyendo algunas instalaciones a mayor escala.

Para obtener más información sobre el biocarbón, consulte 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 suele generarse durante la gasificación, en combustibles líquidos sin refinar, como el biocrudo. El proceso Fischer-Tropsch suele tener lugar 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 fabricar otros combustibles. Los líquidos 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 se suele utilizar en combinación con el reformado con vapor de gas natural o 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 puede producirse utilizando electricidad procedente de la energía eólica, solar, hidráulica, la biomasa y otras fuentes renovables. En lugar de utilizar gas natural o carbón para producir hidrógeno, se recurre a la bioenergía para electrolizar el agua y generar hidrógeno. Esto ofrece la ventaja de reducir las emisiones de dióxido de carbono, pero normalmente ha requerido grandes cantidades de energía y sigue siendo una opción prohibitiva desde el punto de vista económico debido al bajo coste 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 mediante 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 diversas fuentes de energía renovables. Los agricultores con experiencia en la aplicación de amoníaco saben que existen muchos riesgos asociados a su manipulación y uso. El uso generalizado del amoníaco como combustible líquido para vehículos requerirá inversiones sustanciales en almacenamiento y manipulación 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 normalmente a partir del metano durante el proceso de reformado con vapor del gas natural y el carbón. El metano obtenido mediante la digestión anaeróbica del estiércol (que se analiza a continuación) también puede ser una opción, pero suele tener un coste 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 utilizarse como sustituto del diésel, con emisiones significativamente más bajas y con aproximadamente la mitad de la densidad energética del diésel. El metanol ya se utiliza habitualmente en el proceso de transesterificación para la producción de biodiésel, que se analiza a continuación.

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 cereales son algunos de los combustibles más comunes que se producen de esta manera. Otros métodos consisten en capturar el metano que se genera cuando las bacterias descomponen el estiércol procedente de la ganadería y la avicultura, las aguas residuales humanas y los residuos de los vertederos, para quemarlo con el fin de obtener calor y bioenergía.

La digestión anaeróbica genera diversos líquidos y sólidos ricos en nutrientes que pueden utilizarse en la explotación agrícola. 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 explotación agrícola. A esta mezcla de gases se la conoce comúnmente como biogás o gas de digestor. El biogás es un combustible y suele contener entre un 50 % y un 60 % 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 residuos animales: factores a tener en cuenta.

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 habitual de almidón que se transforma en etanol, mientras que la cebada, el mijo, el almidón de trigo, las patatas, el suero de leche y los residuos de cervecerías y bebidas representan una parte menor de la producción. El etanol también puede producirse 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 9.000 millones de galones de etanol en 2008 y se vendieron 22 millones de toneladas métricas de granos de destilería procedentes del proceso de fabricación de etanol (2008).

El etanol a partir del maíz y otros cereales puede producirse mediante un proceso de molienda en seco o en húmedo. El proceso de molienda en seco utiliza el grano de maíz entero, que se muele hasta convertirlo en polvo, se mezcla con agua para formar un puré y, a continuación, se cuece añadiendo enzimas que transforman el almidón licuado en glucosa (azúcar). Tras enfriarse, el mosto se fermenta con una segunda enzima (levadura) y, finalmente, se destila de nuevo para separar el alcohol de los sólidos y el agua. Entre los coproductos del proceso de molienda en seco se encuentran el grano de destilería, que se utiliza como pienso para animales (también conocido como grano seco de destilería con solubles o DDGS), y el 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 obtener etanol y luego se destila, se extrae aceite de maíz del germen y se separan tanto la fibra como los demás componentes del almidón. Mientras que 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.

Al igual que con el etanol producido a partir de cereales ricos en almidón, el procesamiento de materias primas celulósicas para la producción de etanol tiene como objetivo extraer el almidón fermentable de dichas materias. Sin embargo, los almidones presentes en la celulosa son difíciles de extraer, ya que se encuentran encerrados en carbohidratos complejos denominados polisacáridos (cadenas largas de azúcares simples). Para producir etanol a partir de la celulosa de manera eficiente, estas cadenas de azúcares simples deben romperse antes de la fermentación. La fermentación de los azúcares de la celulosa para obtener 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 biobutanol al 100 %. Foto: ButylFuel, LLC

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

Biobutanol

El biobutanol es muy similar a la gasolina y se produce de forma muy parecida al etanol. El biobutanol se obtiene mediante la fermentación de acetona-butanol-etanol (ABE). El biobutanol tiene una densidad energética entre un 10 % y un 20 % inferior a la de la gasolina y ligeramente superior a la del etanol. La Agencia de Protección Ambiental permite mezclar biobutanol con gasolina en una proporción de hasta el 11,5 %. Las mezclas con un porcentaje mayor están sujetas a mayores restricciones y pueden requerir modificaciones en los motores de combustión interna (DOE, sin fecha). En muchos casos, el biobutanol puede suministrarse al usuario final utilizando 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 de menor concentración. 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 habitualmente para producir biodiésel B100, es decir, biodiésel al 100 % destinado a mezclarse con diésel derivado del petróleo. El biodiésel es, en esencia, aceite vegetal o grasa animal diluido de forma 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, manipulación y calidad 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 (aceites vegetales y grasas animales) que se emplean en la fabricación de biodiésel. El diésel verde se produce mediante una reacción química conocida como «hidrocracking» o «hidrotratamiento». El hidrocraqueo es un proceso en el que se añade 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 (densidad) del aceite vegetal puro puede provocar la acumulación de residuos al quemarse en un motor sin modificar. Sin embargo, existen motores diseñados para funcionar con aceite vegetal puro, así como kits de modificación. Con un filtrado, un calentamiento y una conversión adecuados del motor diésel, el aceite vegetal puro ofrece una alternativa parcial al combustible diésel de origen biológico o al diésel n.º 2 de origen petrolífero. Para obtener más información sobre el aceite vegetal puro, consulte la publicación de ATTRA Uso, manipulación y calidad del combustible del 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 producen tallos, raíces, hojas y semillas. Cuando se quema biodiésel procedente de semillas oleaginosas, el dióxido de carbono y otras emisiones se liberan de nuevo al aire y son absorbidas 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 añade más dióxido de carbono al aire (NREL, 2008). Sin embargo, no toda la bioenergía es igual de eficaz a la hora de reducir las emisiones. Hay muchos factores complejos que hay que tener en cuenta al plantearse la producción de biomasa y bioenergía en la explotación agrícola.

Algunos aspectos a tener en cuenta son:

• ¿Existe un mercado local para mi materia prima o combustible, o puedo utilizarlo en la granja para compensar los gastos de energía?
• ¿La cantidad de fertilizante y energía utilizada durante la producción de mi materia prima tendrá un impacto positivo o negativo en el medio ambiente?
• ¿La reconversión de mis terrenos, que antes no se destinaban a la producción agrícola, a la producción (cambio indirecto en el uso del suelo) generará más gases de efecto invernadero?
• ¿Cuánta energía se consumirá durante el transporte de las materias primas?
• ¿Cuánta energía se consumirá durante la conversión de la materia prima?
• ¿Aportará la bioenergía beneficios netos positivos a mi explotación agrícola y al medio ambiente una vez sumados todos los costes económicos, energéticos y medioambientales?

Esta publicación no ofrece respuestas a todas estas preguntas y pretende servir de punto de partida para aprender sobre la bioenergía. No es una guía de referencia exhaustiva, por lo que le animamos a consultar todas las publicaciones y recursos adicionales que ofrece ATTRA, así como los recursos complementarios que se indican 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 las ventajas del biobutanol, el biodiésel, el etanol, el hidrógeno, el metanol, el gas natural, el propano, el gasóleo con contenido ultrabajo en 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. La página web también ofrece mucha información sobre biocombustibles y otras tecnologías adecuadas.

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 los Estados Unidos, 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 recursos sobre la agricultura de valor añadido, incluidas las materias primas para la 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 explotaciones agrícolas y ganaderas.

Recursos adicionales en línea

Consejo Nacional del Biodiésel

Asociación de Combustibles Renovables

Asociación de Energía del Amoníaco

Iniciativa Internacional sobre el Biochar

Departamento de Energía de EE. UU. — Eficiencia energética y energías renovables

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 ATTRA, en virtud de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del USDA.