Biocombustibles. Tipos y tipos de combustibles ecológicos

A finales del siglo XX, surgió ante la humanidad la cuestión de la búsqueda de nuevas fuentes alternativas de energía. La razón de esto fue la inminente crisis del combustible y la energía y la creciente contaminación del medio ambiente. Era necesario encontrar nuevas fuentes de energía térmica que pudieran reemplazar al petróleo y al gas. Junto con el desarrollo de la energía solar, ha aparecido otra dirección más prometedora y, lo más importante, más presupuestaria: el uso de biocombustibles.

Los biocombustibles son combustibles que se obtienen del procesamiento de biomasa por medios termoquímicos o biológicos, con la ayuda de bacterias. Como biomasa se pueden utilizar tanto materias primas vegetales como animales, así como residuos orgánicos de producción y desperdicio de ganado. Las fuentes más utilizadas son las plantas y los desechos de madera.

Según el estado de agregación, se distinguen los siguientes tipos de biocombustibles:

• Sólidos (madera, astillas de madera, briquetas de combustible, pellets de combustible, turba de combustible);
• Líquido (bioetanol, biobutanol, biometanol, biodiésel);
• Gaseoso (biogás, biohidrógeno).

Biocombustibles sólidos

La leña, como hace siglos, sigue utilizándose para obtener calor y electricidad. Un ejemplo de la planta de energía de biomasa más grande de Europa es la CHP de Austria. Su capacidad es de 66 MW.

A pesar de que el mundo está desarrollando y financiando activamente proyectos para la creación de bosques energéticos donde se cultiva biomasa leñosa, el uso de diversos productos de la industria de la madera para la obtención de biocombustible está atrayendo cada vez más atención. Estas empresas ya están bastante desarrolladas y suministran activamente sus productos al mercado. Estos incluyen briquetas de combustible y pellets de combustible: pellets.

Para obtener las briquetas de combustible, se secan y prensan diversos biorresiduos, como excrementos de aves y estiércol. Las briquetas resultantes se utilizan para calentar locales residenciales e industriales.

Gránulos de combustible: los pellets se usan de manera similar. Se producen a partir de aserrín, astillas de madera, corteza, madera de calidad inferior, paja, desechos agrícolas (cáscaras de girasol, cáscaras de nueces). Para obtener pellets, la biomasa se tritura primero en harina, luego ingresa al secador y desde allí a una prensa especial, donde, bajo la influencia de la presión y la alta temperatura, la lignina contenida en los desechos de madera se vuelve pegajosa. Permite obtener cilindros de biocombustible listos para usar en la salida. Una cualidad distintiva de los pellets de combustible es su bajo contenido de cenizas, alrededor del 3%.

La tecnología para la obtención de turba combustible utilizada para calentar edificios residenciales también es sencilla. Las materias primas se entregan directamente desde el sitio de extracción a la planta de procesamiento de turba, donde la turba se limpia de impurezas (se tamiza), se seca y se prensa en briquetas.

Otro tipo de biocombustible, astillas de madera, se utiliza en Europa en grandes centrales térmicas con una capacidad de uno a varios megavatios. La producción de astillas de madera se lleva a cabo directamente en la tala o en la producción utilizando trituradoras especiales: trituradoras. Como materia prima, se suele utilizar madera de pequeño tamaño y residuos de tala: ramas, cortezas, tocones, etc.

Generaciones de combustibles alternativos

La amplia gama de materiales vegetales utilizados para la biomasa generalmente se divide en varias generaciones.

La primera generación incluye cultivos agrícolas, que contienen un alto porcentaje de almidón, azúcares, grasas. Estas son plantas tan populares como el maíz, la remolacha azucarera, la colza, la soja. Dado que el cultivo de estos cultivos daña el clima y su retirada del mercado afecta el precio de los productos, los científicos están intentando sustituirlos por otros tipos de biomasa.

Casi todos los tipos de combustibles líquidos modernos (biodiésel, etanol) se producen actualmente a partir de plantas agrícolas pertenecientes a la primera generación de materias primas.

El grupo de la segunda generación de biomasa incluye madera, pasto, desechos agrícolas (conchas, cascarillas). La obtención de biocombustibles a partir de estas materias primas es costosa, pero permite resolver el problema de la eliminación de residuos no alimentarios con la producción simultánea de materiales combustibles.

Una característica de los cultivos incluidos en esta variedad es la presencia de lignina y celulosa en ellos. Gracias a ellos, la biomasa puede quemarse y gasificarse, así como someterse a pirólisis, obteniendo un combustible líquido. Se considera que la principal desventaja de la biomasa de segunda generación es un rendimiento insuficiente por unidad de área, por lo que se deben asignar importantes recursos de tierra para dichos cultivos.

La materia prima para la producción de biocombustibles de tercera generación son las algas, que se cultivan a escala industrial, por ejemplo, en cuerpos de agua abiertos.

Se considera que la opción más prometedora son los biocombustibles obtenidos a partir de algas unicelulares. Tales plantas ganan peso rápidamente, mientras que su cultivo no requiere tierras fértiles.

Esta práctica tiene grandes perspectivas, pero en la actualidad estas tecnologías solo se están desarrollando. Los científicos también están investigando la creación de métodos para obtener biocombustibles de cuarta e incluso quinta generación.

Biocombustibles líquidos

Los biocombustibles líquidos son cada vez más populares debido a su seguridad y respeto al medio ambiente. Se utiliza principalmente en motores de combustión interna. Este tipo de combustible se obtiene procesando diversos materiales vegetales.

Hay tipos principales de biocombustibles líquidos:

1. Bioetanol
2. Biobutanol
3. Biometanol
4. Biodiesel

Bioetanol

Ocupa una posición de liderazgo en la lista de biocombustibles líquidos. Su ámbito de aplicación es en coches corrientes, y en los últimos años también se ha utilizado como biocombustible para chimeneas domésticas. El bioetanol mezclado con gasolina como combustible tiene una serie de ventajas sobre la gasolina convencional: mejora el rendimiento del motor del automóvil, aumenta su potencia, no sobrecalienta el motor, no forma hollín, depósitos de carbón y humo.

El bioetanol es una gran alternativa para los amantes de las chimeneas. Dado que no forma humo, hollín y emite una pequeña cantidad de dióxido de carbono durante la combustión. Se puede utilizar para calentar chimeneas incluso en edificios de apartamentos. Al mismo tiempo, no se produce ninguna pérdida de calor, como suele ocurrir con el funcionamiento de las chimeneas convencionales con chimenea.

Se produce según la tecnología de fermentación alcohólica a partir de materias primas que contienen almidón o azúcar: maíz, cereales, caña de azúcar, remolacha azucarera. Está económicamente justificado obtener etanol a partir de materias primas que contengan celulosa.

Biobutanol

Como combustible para motores, es más preferible que el bioetanol: se mezcla mejor con la gasolina y se puede utilizar como combustible independiente. Para su obtención se utilizan cultivos tradicionales: caña de azúcar, maíz, trigo, remolacha azucarera. Aunque menos popular que el bioetanol.

Biometanol

Su tecnología de producción aún es imperfecta y requiere la introducción de muchos más desarrollos innovadores. Se supone que se obtiene por transformación bioquímica del fitoplancton marino cultivado en reservorios especiales.Pero hasta ahora no ha sido posible establecer una producción a escala industrial. Las aplicaciones del biometanol son las mismas que las del metanol convencional. Se trata de la producción de una serie de sustancias (formaldehído, metacrilato de metilo, metilaminas, ácido acético, etc.), como disolvente y anticongelante.

Biodiesel

Se utiliza en motores de automóviles tanto por separado como en mezcla con combustible diesel convencional. Además de la ausencia del impacto negativo del biodiésel en el medio ambiente, numerosos estudios han destacado otra ventaja. Debido al bajo contenido de azufre, las propiedades lubricantes del biodiésel son mejores, lo que ayuda a prolongar la vida útil de los motores de serie. La materia prima para la producción de biodiesel puede ser tanto plantas (algodón, soja, colza) como aceites grasos (palma, colza, coco), algas.

Ventajas y desventajas de los biocombustibles

Los combustibles biológicos tienen sus lados positivos y negativos. El interés por utilizar este tipo de materia prima se debe a sus indudables ventajas. Éstas incluyen:

• Coste presupuestario... Aunque los biocombustibles actualmente tienen un precio casi igual al de la gasolina, se considera que los biomateriales son un combustible más rentable porque producen menos emisiones cuando se queman. Los biocombustibles son adecuados para diversas aplicaciones y pueden adaptarse a diferentes diseños de motores. Otra ventaja es la optimización del motor, que permanece más limpio durante más tiempo con menos hollín y gases de escape.
• Movilidad... Los biocombustibles se diferencian de otras opciones de energía alternativa en su movilidad. El diseño de instalaciones solares y eólicas generalmente incluye baterías de almacenamiento pesado, por lo que se usan con mayor frecuencia de manera estacionaria, mientras que el biocombustible se puede transportar de una región a otra sin mucha molestia.
• Fuente de energía renovable... Aunque, según los investigadores, los depósitos existentes de petróleo crudo durarán al menos varios cientos de años, las reservas fósiles aún son finitas. Los biocombustibles, elaborados a partir de residuos vegetales y animales, son recursos renovables que no están amenazados de extinción en un futuro previsible.
• Protección de la atmósfera terrestre.... Una gran desventaja de los hidrocarburos tradicionales es el gran porcentaje de CO2 que se emite durante la combustión. Este gas crea un efecto invernadero en la atmósfera de nuestro planeta, creando las condiciones para el calentamiento global. Cuando se queman sustancias biológicas, la cantidad de dióxido de carbono se reduce al 65%. Además, los cultivos utilizados en la producción de biocombustibles consumen monóxido de carbono, lo que reduce su proporción en el aire.
• Seguridad economica... Las reservas de hidrocarburos están distribuidas de manera desigual, por lo que algunos estados se ven obligados a comprar petróleo o gas natural, gastando grandes cantidades de dinero en adquisición, transporte y almacenamiento. Se pueden obtener varios tipos de combustible biológico en casi cualquier país. Dado que su producción y procesamiento requerirá la creación de nuevas empresas y, en consecuencia, puestos de trabajo, esto beneficiará a la economía nacional y tendrá un efecto positivo en el bienestar de las personas.

La mejora de las tecnologías y el desarrollo de nuevos métodos pueden potenciar los efectos positivos de los biocombustibles. Por lo tanto, el desarrollo de tecnologías que utilicen plancton y algas reducirá significativamente su precio.

Al mismo tiempo, en la etapa actual de desarrollo de las ciencias y tecnologías, la producción de biocombustibles está asociada a una serie de dificultades e inconvenientes. En primer lugar, estas son limitaciones naturales en el cultivo de plantas. Para el crecimiento de cultivos utilizados para la producción de biomasa, se deben tener en cuenta una serie de factores, a saber:

• Uso del agua... Los cultivos consumen mucha agua, que es un recurso limitado, especialmente en las zonas áridas.
• Invasividad... Los cultivos de combustibles suelen ser agresivos. Ahogan la auténtica flora, que puede dañar la biodiversidad y el ecosistema de la región.
• Fertilizantes... Muchas plantas requieren aportes de nutrientes adicionales que pueden dañar otros cultivos o el ecosistema en general.
• Clima. Ciertas zonas climáticas (por ejemplo, el desierto o la tundra) no son adecuadas para el cultivo de biocombustibles.

El cultivo activo de plantas agrícolas también está asociado con el agotamiento de los recursos agrícolas.El incumplimiento de las reglas de la tecnología agrícola puede conducir a una disminución en el contenido de componentes útiles del suelo y, como resultado, a su agotamiento, lo que agravará el problema de la comida.

El ecosistema está alterado. La producción de biomasa generalmente requiere una expansión de las tierras agrícolas. A menudo, para este propósito, el territorio se limpia, lo que conduce a la destrucción del microecosistema (por ejemplo, un bosque), la muerte de plantas y animales.

Ya se está cultivando un gran volumen de cultivos para producir biocombustibles. Más del 50% de la colza en Europa se utiliza para la producción de biomasa, más de un tercio del grano americano, casi la mitad de la caña de azúcar cultivada en Brasil.

Hay problemas con el cultivo de monocultivos. Para obtener más rendimiento de biomasa, los agricultores suelen sembrar la tierra con una planta específica. Esta práctica no es muy buena para el estado de las tierras agrícolas, ya que el monocultivo provoca un cambio en el medio ambiente.

En los campos ocupados por un tipo de planta, suelen parasitar tipos especiales de plagas. Un intento de controlarlos con la ayuda de insecticidas y pesticidas solo conduce al desarrollo de resistencia a estos agentes.

Para evitar los problemas descritos anteriormente, los científicos aconsejan no descuidar la biodiversidad de los cultivos, combinar varias plantas en los campos y también utilizar variedades locales de flora.

Biocombustibles gaseosos

Hay dos tipos principales de combustibles gaseosos:

• Biogás
• Biohidrógeno

Biogás

Producto de fermentación de residuos orgánicos, que puede ser utilizado como residuos fecales, aguas residuales, residuos domésticos, residuos de matadero, estiércol, estiércol, así como ensilaje y algas. Es una mezcla de metano y dióxido de carbono. Los fertilizantes orgánicos son otro producto del procesamiento de residuos domésticos en la producción de biogás. La tecnología de producción está asociada a la transformación de sustancias orgánicas complejas bajo la influencia de bacterias que realizan la fermentación del metano.

Al comienzo del proceso tecnológico, la masa de desechos se homogeneiza, luego la materia prima preparada se alimenta mediante un cargador a un reactor calentado y aislado, donde el proceso de fermentación del metano se lleva a cabo directamente a una temperatura de aproximadamente 35-38 ° C. La masa de residuos se mezcla constantemente. El biogás resultante ingresa a un tanque de gas (utilizado para almacenar gas) y luego se alimenta a un generador eléctrico. El biogás resultante reemplaza al gas natural convencional. Puede utilizarse como biocombustible o generar electricidad a partir de él.

Biohidrógeno

Puede obtenerse a partir de biomasa por métodos termoquímicos, bioquímicos o biotecnológicos. El primer método de obtención está asociado con el calentamiento de residuos de madera a una temperatura de 500-800 ° C, como resultado de lo cual comienza a desarrollarse una mezcla de gases: hidrógeno, monóxido de carbono y metano. En el método bioquímico se utilizan enzimas de las bacterias Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae, que provocan la producción de hidrógeno durante la división de los residuos vegetales que contienen celulosa y almidón. El proceso se realiza a presión normal y baja temperatura.El biohidrógeno se utiliza en la producción de pilas de combustible de hidrógeno en el transporte y la energía. Todavía no se utiliza mucho.

Tendencias en el desarrollo del mercado mundial de biocombustibles

Los factores que impulsan la propagación de los biocombustibles son las amenazas de la seguridad energética, el cambio climático y la recesión económica. La expansión de la producción de biocombustibles en todo el mundo tiene como objetivo aumentar la participación del consumo de combustible limpio, especialmente en el transporte; menor dependencia del petróleo importado para muchos países; reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero; desarrollo economico. Los biocombustibles son una alternativa a los combustibles tradicionales derivados del petróleo. Los centros mundiales de producción de biocombustibles en 2014 son Estados Unidos, Brasil y la Unión Europea. El tipo de biocombustible más extendido es el bioetanol, su participación es del 82% de todos los combustibles producidos en el mundo a partir de materias primas biológicas. Los principales fabricantes son Estados Unidos y Brasil. El biodiesel ocupa el segundo lugar. El 49% de la producción de biodiésel se concentra en la Unión Europea. A largo plazo, la demanda cada vez mayor de biocombustibles procedente del transporte terrestre, aéreo y marítimo puede cambiar drásticamente la situación actual en el mercado energético mundial. El uso de materias primas agrícolas para la producción de biocombustibles líquidos y el crecimiento de su producción han provocado la demanda de productos agrícolas, lo que influyó en los precios de los cultivos alimentarios utilizados en la producción de biocombustibles. Los biocombustibles de segunda generación continúan creciendo, y se espera que la producción mundial de biocombustibles de segunda generación alcance los 10 mil millones de litros para 2020. La producción mundial de biocombustibles para 2020 debería aumentar en un 25% y ascender a aprox. 140 mil millones de litros. En la Unión Europea, la mayor parte de la producción de biocombustible es biodiesel producido a partir de semillas oleaginosas (colza). Según las previsiones, la producción de bioetanol a partir de trigo y maíz, así como de remolacha azucarera, se expandirá en los países de la UE. En Brasil, se espera que la producción de bioetanol continúe creciendo a un ritmo acelerado y alcance aproximadamente 41 mil millones de litros en 2017. En general, se prevé que la producción de bioetanol y biodiésel crecerá rápidamente en 2020 y ascenderá a 125 y 25 mil millones de litros, respectivamente. La producción de biocombustibles comenzó a crecer rápidamente en Asia. A partir de 2014, China es el tercer mayor productor de bioetanol, y se espera que esta producción crezca más del 4% por año durante los próximos diez años. En India, se prevé que la producción de bioetanol a partir de melaza aumente en más de un 7% anual. Al mismo tiempo, se está expandiendo la producción de biodiésel a partir de nuevos cultivos como la jatropha.

Según las previsiones de la Agencia Mundial de la Energía (AIE), la escasez de petróleo en 2025 se estimará en un 14%. Según la AIE, incluso si el volumen total de producción de biocombustible (incluidos bioetanol y biodiésel) alcanza los 220 mil millones de litros para 2021, entonces su producción cubrirá solo el 7% de la demanda mundial de combustible. La tasa de crecimiento de la producción de biocombustibles está muy por detrás de la tasa de crecimiento de su demanda. Esto se debe a la disponibilidad de materias primas baratas y a la financiación insuficiente. El uso comercial masivo de biocombustibles estará impulsado por el logro de un equilibrio de precios con los combustibles convencionales derivados del petróleo. Según las previsiones de los científicos, la proporción de fuentes de energía renovable para 2040 alcanzará el 47,7% y la biomasa, el 23,8%.

Con el nivel actual de desarrollo tecnológico, la producción de biocombustibles constituirá una pequeña parte del suministro mundial de energía y los precios de la energía afectarán el costo de las materias primas agrícolas.Los biocombustibles pueden afectar la seguridad alimentaria de diferentes maneras: el aumento de los precios de los productos básicos impulsado por la producción de biocombustibles puede perjudicar a los importadores de alimentos, por otro lado, estimular la producción agrícola nacional de los pequeños agricultores.

EQUIPO DE GASES

Los combustibles gaseosos también se obtienen a partir de biomasa, que también son excelentes para los automóviles. Por ejemplo, el metano es uno de los principales componentes de los gases naturales y los llamados gases asociados que se producen durante la destilación del petróleo. Tal mineral puede ser reemplazado fácilmente por una montaña innecesaria de desechos orgánicos, desde estiércol banal hasta desechos de las industrias de pescado, carne, lácteos y vegetales. Esta biomasa alimenta a las bacterias que producen biogás. Después de limpiarlo del gas de dióxido de carbono, se obtiene el llamado biometano. Su principal diferencia con el metano ordinario, en el que funcionan muchos modelos de producción, es que no es un mineral. Bueno, algo, pero el estiércol y las plantas antes del final de la vida en el planeta no se acabarán.

Esquema de producción de biometano (todos los diagramas y tablas se abren en tamaño completo con un clic del mouse):

Biocombustibles como fuente alternativa de energía:

La humanidad siempre se ha enfrentado agudamente a la cuestión de encontrar fuentes de energía baratas, cuya obtención no requirió costos excesivos. El problema del uso de los recursos energéticos se agudizó especialmente en el siglo XX, cuando quedó claro que la quema irreflexiva de hidrocarburos conduciría a una disminución adicional de las reservas de la tierra. Los científicos han llegado a la conclusión de que las reservas de petróleo y gas se agotarán con el tiempo, y los costos de desarrollar nuevos campos aumentarán significativamente, ya que será necesario atraer más equipos y capacidades de producción. Durante este período, la ecología se deterioró significativamente, reaccionando dolorosamente a la desaparición de la cubierta forestal y la continua contaminación de la atmósfera, los intestinos y el agua.

Se ha incrementado la relevancia de la búsqueda de fuentes alternativas de energía térmica, que puedan sustituir al gas natural y al petróleo. Y en una dirección tan eficaz, junto con la energía solar, la energía eólica se ha convertido en el uso de portadores de energía de origen biológico (biocombustible).

Bajo el combustible de origen biológico (biocombustibles) debe entenderse como un producto sintetizado a partir de materias primas animales o vegetales, así como a partir de residuos biológicos, que, bajo cierta influencia, liberan energía térmica.

Entre otras definiciones biocombustibles También está el siguiente: "El biocombustible es un combustible obtenido a partir de biomasa como resultado de una reacción termoquímica o biológica".

54-60% de los biocombustibles son sus formas tradicionales: leña, residuos vegetales y estiércol seco para calentar casas y cocinar. Son utilizados por el 38% de la población mundial.

MENÚ VEGETARIANO

El combustible diesel también se prepara de acuerdo con recetas no estándar. Las materias primas son colza, soja, diversos aceites y grasas. Dicho combustible está marcado con la letra B y los números correspondientes a la proporción de componentes de la planta en la mezcla. El índice de cetano del combustible es más alto que el de un combustible convencional: 51 versus 42-45. El combustible es altamente biodegradable sin dañar el medio ambiente y prácticamente no contiene azufre. Entre las desventajas importantes está la corta vida útil.

Los bioaditivos para combustible diesel aún no han recibido un uso tan generalizado como el bioetanol. Sin embargo, se produce en muchos países. Hay países donde el 5% de contenido biológico está legalizado y no es necesario mencionarlo cuando se vende.