vt4 bio car bur antes liquidos biodiesel y bioetanol

vt 4

vtJuan Manuel Garca Cams Jos ngel Garca Laborda

informe de vigilancia tecnolgica

biocarburantes lquidos: biodisel y bioetanol

b i o c a r bu ra n t e s lquidos: biodisel y bioetanol

www.madrimasd.org

CONFEDERACIN EMPRESARIAL DE MADRID - CEOE

vtJuan Manuel Garca Cams Jos ngel Garca Laborda

informe de vigilancia tecnolgica

b i o c a r bu ra n t e s lquidos: biodisel y bioetanol

www.madrimasd.org

Coleccin dirigida por:

Jos de la Sota RusColeccin coordinada por:

Fundacin para el conocimiento madri+d CEIM

Este informe ha sido realizado por el equipo de la Universidad Rey Juan Carlos del Crculo de Innovacin en Tecnologas Medioambientales y Energa (CITME). El CITME es una iniciativa gestionada por la Universidad de Alcal, la Universidad Rey Juan Carlos y el CIEMAT dentro del IV Programa Regional de Ciencia y Tecnologa de la Consejera de Educacin de la Comunidad de Madrid. Los autores agradecen la ayuda prestada en la elaboracin del libro al Dr. Juan Antonio Cabrera Jimnez del Centro de Investigaciones Energticas, Medioambientales y Tecnologcas (CIEMAT), al Profesor David Serrano Granados y a la Dra. Gemma Vicente Crespo del Departamento de Tecnologa Qumica y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos cuyas aportaciones y revisin han sido de gran valor para el contenido del mismo. Todos los derechos estn reservados. Se autoriza la reproduccin total o parcial de este infome con fines educacionales, divulgativos y no comerciales citando la fuente. La reproduccin para otros fines est expresamente prohibida sin el permiso de los propietarios del copyright. De los textos: Los autores De la coleccin vt y de la presente edicin:

CEIM Direccin General de Universidades e InvestigacinDiseo: base12 diseo y comunicacin s.l. Ilustraciones: Los autores Impresin: Elec Industria Grfica Depsito Legal: M-30985-2006

5 9 13 21 31

PRESENTACIN CAPTULO 1

Resumen ejecutivoCAPTULO 2

Introduccin y objetivo del informeCAPTULO 3

Marco general y regulatorioCAPTULO 4

Biodisel4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. Definicin y especificaciones del biodisel (PG. 32) Materias primas para la produccin de biodisel (PG. 35) Reacciones en la produccin de biodisel (PG. 40) Procesos en la produccin industrial de biodisel (PG. 49) Aplicaciones (PG. 55) Produccin de biodisel (PG. 65)

73

CAPTULO 5

Bioetanol5.1. Produccin de bioetanol (PG. 76) 5.2. Bioetanol como combustible (PG. 85) 5.3. El bioetanol como aditivo de las gasolinas: ETBE (PG. 87) 5.4. Aditivo de mejora de la ignicin en motores diesel (PG. 88) 5.5. Pilas de combustible (PG. 89) 5.6. Barreras en el uso del bioetanol (PG. 90) 5.7. Produccin de bioetanol (PG. 91)

ndice

97 105 109 115 119

CAPTULO 6

Normativa6.1. Reforma de la Poltica Agraria Comn (PAC)CAPTULO 7 (PG. 100)

Empresas con proyectos de biocarburantesCAPTULO 8

Patentes en biocarburantesCAPTULO 9

ReferenciasCAPTULO 10

Glosario

PRESENTACIN

En el marco del Sistema madrimasd, promovido por la Comunidad de Madrid, la Universidad Rey Juan Carlos viene desempeando un activo papel en el mbito de la vigilancia tecnolgica en energa. Desde hace cinco aos, las empresas madrileas disponen de valiosos instrumentos (los Crculos de Innovacin) que permiten anticiparse a las demandas tecnolgica del mercado y posicionarse adecuadamente en su entorno competitivo. El panorama madrileo presenta un bien conocido dficit en produccin energtica, especialmente en comparacin con el elevado consumo de la regin. Ha de aadirse que el crecimiento de la demanda energtica se sita alrededor del 5% anual, lo que supondr duplicar el consumo en un plazo de 15 aos. En su favor, nuestra comunidad concentra un importante nmero de cientficos/tecnlogos, agrupados en ms de cincuenta grupos de investigacin trabajando especficamente en temas energticos, muchos de ellos reconocidos a nivel internacional. En este sentido, hemos querido dedicar una especial atencin a la situacin de la investigacin en el campo de los biocombustibles, catalogados como fuente de energa renovables al proceder de diferentes formas de biomasa. Su nivel de contaminacin es menor que otros combustibles tradicionales, dado que su combustin no produce compuestos de azufre y sus emisiones de dixido de carbono netas son prcticamente nulas. Se recogen en el presente trabajo aspectos tales como: el marco regulatorio, los objetivos de los biocarburantes en Espaa, las tecnologas de produccin de biodisel y bioetanol as como sus aplicaciones al sector del transporte. No se olvida de los aspectos normativos y de la Poltica Agraria Comn (PAC), de importancia decisiva para el futuro de

vt biocarburantes lquidos:6

biodisel y bioetanol

estos combustibles. Por ltimo, se incluye un captulo con la relacin de las principales empresas espaolas con proyectos de biocarburantes. Se trata de una de las lneas prioritarias tanto a nivel nacional, y as se describe en el Plan de Energas Renovables en Espaa 2005-2010, como a nivel europeo, ver el Libro Blanco sobre Energas Renovables de la Comisin Europea, que se integrar como uno de los elementos tractores de la actividad del futuro Instituto Madrileo de Estudios Avanzados en Energa (IMDEA Energa), una de las apuestas ms significativas del gobierno regional recogida en el IV PRICIT. En fin, espero que el presente Informe de Vigilancia Tecnolgica Biocarburantes lquidos: biodisel y bioetanol se reconozca como una aportacin que la Universidad Rey Juan Carlos realiza a la divulgacin de este tipo de tecnologa, particularmente entre las empresas interesadas en nuevas formas de energa renovable.Rafael Van Grieken Vicerrector de Investigacin Universidad Rey Juan Carlos 7

PRESENTACIN

CAPTULO 1

Resumen ejecutivo

El sector del transporte representar en Espaa el 37,5% del consumo final de energa durante el ao 2006, en la Comunidad de Madrid representa el 51,14% del consumo final de energa y las estimaciones para el ao 2012 (escenario eficiente) son del 47,64%. La contribucin de los combustibles fsiles convencionales a las emisiones de CO2 es muy relevante. En la Unin Europea (UE) el transporte es responsable del 21% de las emisiones de gases de efecto invernadero. Teniendo en cuenta los problemas de cambio climtico, el continuado incremento de los precios del petrleo y sus derivados, as como una preocupacin cada vez mayor por garantizar el suministro de fuentes de energa primaria como el petrleo, la utilizacin de biomasa, y en particular los biocombustibles, para usos energticos tiene cada vez mayor inters. Los biocarburantes son un sustituto directo e inmediato para los combustibles lquidos utilizados en el transporte y pueden ser fcilmente integrados en los sistemas logsticos actualmente en operacin. Reemplazar un porcentaje, por ejemplo, de gasleo y gasolinas de automocin por biocombustibles (biodisel o bioetanol) es el camino ms simple en el sector del transporte. En la actualidad en la UE se producen 35 millones de m3 de biocombustibles (bioetanol y biodisel, principalmente). Esta cifra est muy alejada de los objetivos de la UE (Directiva 2003/30 de mayo 2003) que estaban fijados en el 2% del consumo de carburantes en la UE. El objetivo para el 2010 es alcanzar una penetracin de mercado del 5,75%. El sector del transporte en la UE representa ms del 30% del total de consumo de energa y depende en un 98% de combustibles fsiles. El incremento de este sector es la principal causa de que la UE no cumpla con los objetivos y compromisos del Protocolo de Kyoto; se espera que el 90% del incremento de las emisiones de CO2 entre 1990 y 2010 se atribuyan al sector del transporte [Biofuels Research Advisory Council UE, 2006].



La UE tiene un gran potencial para la produccin de biocombustibles. La produccin a finales del ao 2005 de biocombustibles lquidos se situaba en la Europa de los 25 (UE 25) en cerca de 2 Mtep. Se estima que entre el 4% y el 13% del total de tierra destinada a agricultura en la UE ser necesaria para producir la cantidad de biocombustibles para alcanzar el nivel de sustitucin de los combustibles fsiles empleados en el transporte y lograr los objetivos marcados en la Directiva 2003/30/EC. Para conseguir esto es necesario contar con una estrategia bien coordinada que fomente la produccin de biocombustibles. En este sentido, un paso importante es la reciente comunicacin de la Comisin donde se enumeran siete lneas de actuacin que agrupan las medidas tomadas para promover la produccin y uso de biocombustibles. Se estima que para el ao 2030 un cuarto de los combustibles empleados en el transporte provendrn de biocombustibles [Biofuels Research Advisory Council UE, 2006]. El desarrollo de los biocombustibles actuar como tractor y servir para crear oportunidades y puestos de trabajo en sectores como el de los suministradores de biomasa, productores de biocombustibles y en el sector de la automocin.

A medio plazo se prev un amplio desarrollo de los biocombustibles y para lograrlo es necesario dedicar recursos para la mejora de las tecnologas existentes, investigar y desarrollar a nivel comercial los llamados biocombustibles de segunda generacin (a partir de biomasa lignocelulsica) y, por ltimo invertir en el desarrollo de biorefineras integradas a nivel industrial. En cuanto a Espaa, nuestro pas es el primer productor europeo de etanol, debido a la produccin de etil-tercbutil ter (ETBE) que se utiliza como aditivo en la gasolina. Sin embargo en relacin al biodisel, los indicadores sealan que, al contrario que en el resto de la UE y a pesar que hay varias plantas de produccin de biodisel y otras estn en fase de construccin o estudio, lo cual indica el esfuerzo que se est realizando en nuestro pas, est retrasado en sus objetivos. Segn datos de 2004 la produccin de biodisel en Espaa se sita en 15.000 Tm/ao, muy lejos de los datos del primer productor Europeo (Alemania con 1.035.000 Tm/ao). El mercado existente para los cereales, su precio actual y las exenciones fiscales hacen econmicamente rentable su utilizacin para la produccin de etanol. Los cultivos de colza o girasol necesarios para obtencin del biodisel requieren mayor superficie, lo que presenta mayores dificultades para su desarrollo. La utilizacin de aceites usados es una alternativa muy atractiva que contribuye tambin a la eliminacin de residuos, aunque requiere desarrollar una adecuada logstica para su recogida. Con todo ello, el futuro se presenta prometedor para ambos biocombustibles. En el caso del etanol, gracias a que se utiliza para producir ETBE es ya una opcin de presente, situndose Espaa a la cabeza de la produccin mundial de este producto. En el caso del biodisel, el potencial es tambin muy grande puesto que la UE tiene como objetivo pasar de una utilizacin de menos del 2% actual, hasta un 25% antes del 2030. Por ltimo y como muestra de la importancia que este rea ha tomado en Espaa en los ltimos aos, el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio ha concedido una subvencin destinada a fomentar en el mbito de biodisel la cooperacin estable publico-privada en investigacin, desarrollo e innovacin, mediante la formacin de consorcios estratgicos nacionales de investigacin tcnica (proyectos CENIT). El objetivo de este consorcio liderado por Repsol YPF S.A. es la investigacin y el desarrollo sobre la obtencin y utilizacin de biodisel, minimizando el uso de combustibles fsiles y favoreciendo otras de origen renovable, reduciendo la dependencia energtica y contribuyendo a la disminucin de gases de efecto invernadero. El programa CENIT se enmarca dentro de las iniciativas del Plan Ingenio 2010.

11

CAPTULO 1 Resumen ejecutivo

CAPTULO 2

Introduccin y objetivo del informe

El objeto de esta publicacin es presentar el papel que los biocombustibles estn jugando actualmente, el grado de la tecnologa alcanzada y los trabajos que se estn desarrollando en este campo. Los biocombustibles son aquellos combustibles producidos a partir de la biomasa y que son considerados, por tanto, una energa renovable. Se pueden presentar tanto en forma slida (residuos vegetales, fraccin biodegradable de los residuos urbanos o industriales) como lquida (bioalcoholes, biodisel) y gaseosa (biogs, hidrgeno). Dentro de los biocombustibles, los biocarburantes abarcan al subgrupo caracterizado por la posibilidad de su aplicacin a los actuales motores de combustin interna (motores disel y Otto). Son, en general, de naturaleza lquida. Los biocarburantes en uso proceden de materias primas vegetales, a travs de transformaciones biolgicas y fsico-qumicas. Actualmente se encuentran desarrollados principalmente dos tipos: el biodisel, obtenido a partir de la transesterificacin de aceites vegetales y grasas animales con un alcohol ligero, como metanol o etanol; y el bioetanol, obtenido fundamentalmente de semillas ricas en azcares mediante fermentacin. Con la caa de azcar, la remolacha o el sorgo dulce, que contienen azcares simples, se obtiene etanol por fermentacin. Sin embargo, en otros cultivos, como los cereales o las batacas, la energa est almacenada en forma de carbohidratos ms complejos como el almidn, que tiene que ser hidrolizado antes de su fermentacin a bioetanol. Por su parte, hay que destacar el etil-tercbutil ter (ETBE) producido a partir del bioetanol, ya que su utilizacin en motores presenta menos problemas que el propio bioetanol. En Espaa, por ejemplo, todo el bioetanol se transforma en ETBE en las refineras de petrleo siendo utilizado como aditivo de las gasolinas. La produccin de todos estos combustibles est sujeta a amplias necesidades de terreno en el cultivo de sus materias primas. En el rea dedicada a biocarburantes del Plan de Fomento de las Energas Renovables 2000-2010, de 1999, se comentan las principales tendencias y aspectos para el desarrollo de un mercado de biocarburantes en Espaa. Dicho documento establece, como previsin de cumplimiento de los objetivos energticos, una produccin y consumo totales de 500.000 toneladas equivalentes de petrleo (tep) para 2010, lo que supondra (segn los clculos de 1999) el 1,8% de las previsiones de consumo de combustibles para el transporte. El objetivo fijado por la Unin Europea y por el Gobierno de Espaa, de alcanzar en el ao 2010 que un 5,75% de los carburantes sean ecolgicos, es un reto difcil de obtener, dado que con los datos actuales para conseguirlo se debera multiplicar por 10 el uso de estos biocarburantes antes de cinco aos. Sin embargo, las expectativas de futuro para estos combustibles son muy prometedoras teniendo en cuenta el gran potencial de produccin de biocarburantes en la UE, donde se prev que del actual porcentaje de utilizacin, que no llega al 2%, se pase a que en el 2030 el 25% del porcentaje de combustibles empleados en el transporte provenga de biocarburantes.



En 2004 se produjeron en Espaa 194.000 toneladas de etanol y 14.000 de biodisel, los principales biocarburantes junto al aditivo etil-tercbutil ter (el ETBE) que se aade a la gasolina. Esta cantidad puede suministrar una energa equivalente a 228.000 toneladas de petrleo, pero supone menos del 1% del consumo total de carburantes. Para finales de 2005, en Espaa tendra que haberse logrado que el 2% de los combustibles fuesen de origen vegetal, cifra que no ha sido posible alcanzar, segn el Informe sobre el marco regulatorio de los biocarburantes elaborado por la Comisin Europea. Sin embargo, Espaa ocupa el primer lugar de Europa en produccin de etanol, como se comenta en el documento y se puede observar en la tabla 1 del Biofuels Baromter, publicado por EurObserver en junio de 2005.2003 Produccin de Etanol Producuccin de ETBE 2004 Producuccin de Etanol Producuccin de ETBE

Espaa Francia Suecia Polonia Alemania Bioetanol vendido por la Comisin Total UE25

160.000 82.000 52.000 60.430 0 70.320

340.800 164.250 0 67.000 0 -

194.000 102.000 52.000 35.840 20.000 87.200

413.200 170.600 0 42.500 -

15

424.750

572.050

491.040

626.300CAPTULO 2 Introduccin y objetivo del informe

TABLA 1 Produccin de Etanol y ETBE en 2003 y 2004. Fuente: EurObserver.

Tal como se coment anteriormente, la mayora del bioetanol que se produce se transforma en ETBE, que se utiliza como aditivo en las gasolinas. Dado el importante esfuerzo realizado por el sector industrial creemos que debe resaltarse esta posicin como ejemplo de resultados obtenidos en un rea renovable. Con respecto a los objetivos del Plan de Fomento, la produccin de biocarburantes debera ser de 500 ktep en 2010, de los que 400 ktep corresponden al bioetanol. De acuerdo con el Boletn n 7 del IDAE, publicado en septiembre de 2005, a finales del 2004 se haba alcanzado un grado de cumplimiento del 45,4% respecto al Plan de Fomento, aunque ha sido muy desigual respecto a biodisel y bioetanol. El nuevo Plan de Energas Renovables 2005-2020 fija como objetivo alcanzar los 2,2 millones de tep, es decir multiplicar por cuatro el consumo previsto en el Plan de Fomento 2000-2010. Este Plan seala que en el 2010 el consumo de biocarburantes deber ser del 5,83% del consumo de gasolina y gasleo para el transporte, por encima de los objetivos de la Directiva 2003 de la UE que fija un 5,75% en el 2010.

Esto llevara a tener que incrementar la produccin de biocarburantes en el periodo 2005 2010 en 1.971.1800 tep, siempre segn el Boletn del IDAE citado. Sumando este valor con la produccin alcanzada en el 2004, representara tener que producir 2.200 ktep en el 2010. El mayor objetivo sera elevar la produccin de biodisel en 1.221.800 tep, mientras que para el bioetanol seran necesarias 750.000 tep. Con respecto a las medidas necesarias propuestas en el Plan, se cita expresamente la Poltica Agrcola Comn (PAC) junto con el desarrollo de la logstica de recogida de aceites vegetales usados y la aplicacin de nuevas especies oleaginosas mejor adaptadas a nuestras caractersticas agronmicas. Se estima que entre el 4% y el 13% del total de tierra dedicada a agricultura en la UE sera necesaria para producir la cantidad de biocarburantes y alcanzar el grado de sustitucin de combustibles fsiles requerido para el sector del transporte de acuerdo a la Directiva 2003/30/EC. La creacin de un mercado europeo para biocarburantes ofrecer una oportunidad tanto a Espaa como a los nuevos Estados miembros y facilitar la absorcin del sector agrcola dentro de la Poltica Agraria Comn. La produccin de biocarburantes representa una oportunidad para la economa europea. El desarrollo de nuevas tecnologas tendr repercusin en crear nuevos puestos de trabajo en las reas rurales. El balance de empleos de los biocarburantes de acuerdo con el borrador del Biofuels Research Advisory Council estima que se crearn 16 puestos de trabajo por cada ktep; cada 1% de proporcin de biocarburantes respecto al total de combustibles fsiles significar la creacin, antes del ao 2030, de entre 45.000 y 75.000 puestos de trabajo en las reas rurales. En otro orden de cosas, actualmente los costes de los biocarburantes no son competitivos con los de los carburantes tradicionales, pero la aplicacin de la Directiva 2003/30/CE permite anular el Impuesto Especial de Hidrocarburos al cual estn sujetos el resto de carburantes; esto significa un gran apoyo al desarrollo de la tecnologa de estos biocarburantes y a su implantacin en un futuro cercano. Asimismo, la utilizacin de estos biocarburantes presenta ventajas medioambientales, como es el hecho de que estos biocombustibles emiten entre un 40% y un 80% menos de dixido de carbono que los convencionales y no emiten dixido de azufre (una sustancia que facilita la lluvia cida) ni partculas y se disminuye la concentracin de partculas en suspensin emitidas, de metales pesados, de monxido de carbono, de hidrocarburos aromticos policclicos y de compuestos orgnicos voltiles. Por otra parte, la incorporacin de estos carburantes ecolgicos tambin puede derivar ventajas socioeconmicas. Desde este punto de vista, los biocarburantes, tal y como se coment anteriormente, constituyen una alternativa para aquellas tierras agrcolas afectas a la Poltica Agrcola Comn (PAC). De esta forma, se fijara la poblacin en el mbito rural, manteniendo los niveles de trabajo y renta, y fomentando la creacin de diferentes industrias agrarias. La repercusin en la



agricultura de los biocarburantes es muy importante. En el documento Implications of Increased Ethanol Production for U.S. Agricultura [IIE] se refleja la relevancia que los mismos han tenido en Estados Unidos de Amrica. Asimismo, los biocombustibles son un instrumento muy til para cumplir las polticas de lucha contra el cambio climtico y de seguridad del suministro al reducir la dependencia del petrleo importado; basta comprobar que en el ao 2006 el petrleo ha superado la barrera de los 70 $ el barril de brent. A todos estos factores, conjuntamente con los estrictamente econmicos, como pueden ser los costes de operacin, la inversin y la capacidad de produccin, hay que aadir otros como son el efecto invernadero, la repercusin social y el impacto de la produccin de biomasa en el medio, entre otros factores. Por todo ello, el futuro a corto plazo de los biocarburantes se presenta prometedor, siendo necesario incrementar de manera significativa la produccin de biocarburantes mediante el uso de procesos innovadores, tecnologas y materias primas que sean competitivas y respetuosas con el medio ambiente. 17 En las tablas 2 y 3 se puede observar la situacin actual en Espaa dentro del sector de biocarburantes, de acuerdo a los datos del estudio de 2004 de Renovalia donde se recogen los equipamientos experimentales e infraestructuras existentes a da de hoy en Espaa, identificndose las Universidades, Centros Tecnolgicos y Organismos Pblicos de Investigacin que trabajan en este campo y las reas generales de investigacin en las que desarrollan su actividad.CAPTULO 2 Introduccin y objetivo del informe

TABLA 2 Estudio de la situacin del sector energtico nacional. RENOVALIA.Infraestructuras propias Infraestructuras proporcionadas por otras entidades

18biodisel y bioetanol

vt biocarburantes lquidos:

Almacen de instrumentacin

Banco de ensayos

Centro tecnolgico propio

Equipamiento para pruebas

Informtica: diseo mecnico electrnico Informtica: mtodos numricos Informtica: simuladores

Informtica: software especfico

La infraestructura disponible es mnima Laboratorio

Planta propia Prototipo

Pruebas en plantas de produccin Sistemas de adquisicin de datos Sistemas de operacin y control TOTAL

Banco de ensayos

Equipamiento para pruebas

Informtica: diseo mecnico electrnico Invernadero: parcelas experimentales Laboratorio

Otros

Planta piloto

Prototipo

Pruebas en planta de produccin

Sistema de adquisicin de datos

Sistemas de operacin y control

TOTAL0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 3 0 2 1 1 0 1 3 1 1 1 3 0 1 1 1 1 1 1 1 8 14 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 3 1 1 2 0 3 1 1 2 0 1 0 1 0 1 1 2 0 0 3 19

0 1 1 2 1 1 1 1 2 7 1 1 3 1 1 2 3 1 1 1 1 1 4 1 1 2 1 1 1 1 4 10 0 0 0 0 1 1 1 1 2 1 1 2 0 5 0 0 1 0 0 3 1 1 2 1 1 0 1 2 0 1 1 1 1 1 2 1 1 3 0 1 1 5 1 1 1 1 1 1 1 2 0 1 1 4 1 3 1 9 7 21 2 5 7 1 5 10 2 18 59 1 1 2 0 1 1 3

1 1

1 1

1 1 2

0

0

0

1 1

0

1 1 1 3

1 1 2

0

1 1

1 1

1 1

4 2 7 13

0

0 1 1 0 0 1

5 2 7 14 4 3 3 10 15 35 3 5 8 2 7 10 2 21 78

-

-

-

1 1

1 1 2

1 1

Centro Tecnolgico CARTIF CENER-CIEMAT CIDAUT Total Centro Tecnolgico Empresa ABENGOA BIOENERGY ENDESA GENERACIN S.A. FACTOVERDE S.L. GUASCOR INVESTIGACIN Y DESARROLLO REPSOL YPF S.A. Total Empresa OPI CIEMAT INTA Total OPI Universidad U. DE EXTREMADURA U. DE JAN U. POLITCNICA DE MADRID U. REY JUAN CARLOS Total Universidad TOTAL

0

0

1 1

1 1 2

1 1 1 3 6

0 3

TOTAL

Centro tecnolgico ABENGOA BIOENERGIA

Empresas

OPI

Universidades U. REY JUAN CARLOS X U. DE EXTREMADURA X

CENER/CIEMAT

FACTOR VERDE

REPSOL YPF

BIOCOMBUSTIBLES LQUIDOS Produccin de biocombustibles Bioalcohol Tecnologas de alta eficiencia en procesos qumicos y fermentativos Homologacin para adaptacin como carburantes Aprovisionamiento, metodologas de mezclado, dosificacin y adaptacin Recogida de residuos para su conversin en biocarburantes Otros Biodisel Tecnologas de alta eficiencia en procesos qumicos y fermentativos Homologacin para adaptacin como carburantes Aprovisionamiento, metodologas de mezclado, dosificacin y adaptacin Recogida de residuos para su conversin en biocarburantes Otros Otros

X

X

X X X X X

X

U. DE JAN

GUASCOR

CIDAUT

CIEMAT

CARDIF

CSIC

19X X X X X X X XCAPTULO 2 Introduccin y objetivo del informe

X X X

X

X

TABLA 3 Estudio de la situacin investigadora en el rea de biocarburantes lquidos. RENOVALIA.

CAPTULO 3

Marco general y regulatorio

Entre los sectores de actividad que tienen un mayor consumo final de energa, el sector del transporte es el que se presenta como ms problemtico en el futuro prximo, al ser el que ms depende del petrleo. Los carburantes que proceden del petrleo suponen el 98% de la demanda global de energa en el sector del transporte. La prctica total dependencia de estos combustibles no es lo ms idneo teniendo en cuenta las limitadas reservas del petrleo y que muchas de stas se encuentran en zonas polticamente inestables. De esta manera se ha llegado a distorsiones en el precio del petrleo (superndose la cifra de 78 $ por barril brent en 2006) con graves repercusiones en nuestra economa. La diversificacin de fuentes primarias de energa se contempla como una obligacin, siendo las fuentes de energa renovables y en particular los biocarburantes puesto que otras tecnologas como el hidrgeno y la introduccin en el sector transporte de las pilas de combustible se contemplan a ms largo plazo- de especial inters. De acuerdo al barmetro europeo de las energas renovables publicado por EurObservER, la biomasa es la de mayor aportacin al consumo de energa primaria, con un total de 43 millones de toneladas equivalentes de petrleo en el 2003. La mayor parte se emplea para la obtencin de calor, un 83%, mediante aparatos individuales, calefaccin urbana o instalaciones colectivas, alimentados con briquetas de madera o los llamados pellets, madera triturada y compactada para conseguir mayor eficiencia. El resto se utiliza para la produccin de electricidad. En el caso de Espaa, en el 2003 la energa primaria procedente de la biomasa supuso 3,7 Mtep, con un crecimiento del 3,6% sobre el ao anterior. Estos indicadores sealan que no se mantiene el ritmo de crecimiento necesario para alcanzar los objetivos fijados lo que implica la necesidad de intensificar los esfuerzos, tanto respecto a la penetracin en el mercado como al desarrollo de las innovaciones tecnolgicas necesarias. La produccin de 33 billones de litros en 2004 es pequea comparada con los 1.200 billones de litros producidos de gasolina anualmente en el mundo. Brasil lleva siendo el primer productor y usuario de etanol como fuente de combustible durante los ltimos 25 aos, siendo EE.UU. el segundo gran productor y consumidor de este carburante. Otros pases que producen y consumen etanol, ya a gran distancia de los anteriores, son Australia, Canad, China, Colombia, Repblica Dominicana, Francia, Alemania, etc. En cuanto al biodisel la produccin total en 2004 se sita en 2 billones de litros, de los cuales ms del 90% ha sido producido en la Unin Europa de los 25 pases miembros (UE25). El crecimiento ms significativo se ha producido en Alemania donde el biodisel puro (B100) tiene una exencin de impuestos del 100% y existe



una red de ms de 1.500 estaciones distribuidoras de B100. Otros productores y consumidores significativos de biodisel son Francia, Italia, Austria y Espaa. Los biocarburantes lquidos significaron en el ao 2004 en la EU25 2.040 ktep, lo cual representa un 0,7% del mercado. El biodisel y el bioetanol se utilizan en general mezclados con el disel o la gasolina, siendo la mayor parte del bioetanol procesado y utilizado como ETBE. En la grfica 1 se puede comprobar el aumento en la produccin que se viene experimentando desde el ao 1993 tanto en biodisel como en bioetanol.2.500.000

2.000.000

1.500.000

1.000.000

23500.000

0

GRFICA 1 Produccin Biocarburantes en la UE desde 1993 (2004: UE25).Fuente: Eurobserver 2005.

Por otra parte, los principales compromisos para la reduccin del efecto invernadero se adoptaron a travs del Protocolo de Kyoto, donde la UE se comprometi a reducir en un 8% los niveles de emisiones de gases de efecto invernadero en el 2010 respecto a los valores de 1990. As, la Comisin Europea ha sealado como objetivo prioritario para los prximos aos reducir la dependencia del petrleo mediante la introduccin, entre otras tecnologas, de biocombustibles, pilas de hidrgeno, etc. y disminuir las emisiones de gases contaminantes. Los combustibles lquidos de origen agrcola (biocarburantes) se contemplan como la alternativa ms clara y de mayor potencial frente a la utilizacin de gasolina o gasoil debido a su carcter renovable y su menor impacto ambiental. De manera cronolgica el marco general y regulatorio que afecta a los biocarburantes es el que a continuacin se presenta de forma general:

19 93

Biodiesel

19 94

19 95

19 96

BioetanolCAPTULO 3 Marco general y regulatorio

19 97

19 98

19 99

20 00

20 01

20 02

20 03

20 04

La Comisin Europea, en su Libro Blanco de 1997 [LBC], fija los primeros objetivos claros para las energas renovables y concretamente para los biocarburantes; as, se ha fijado un objetivo del 12% de contribucin de las energas renovables para el 2010 (de los que el 7% sern biocombustibles). En ese mismo ao tuvo lugar la 3 Conferencia de las Partes del Convenio Marco de las Naciones Unidas en Kyoto, donde la mayora de los pases industrializados asumieron el compromiso de reducir las emisiones de CO2. En lnea con esta aspiracin se promulg la Ley 54/1997 del Sector Elctrico en Espaa [SEE, 1997]. Para dar cumplimiento a estos objetivos, el Instituto para la Diversificacin de la Energa (IDAE) elabor y present en Espaa el Plan de Fomento de Energa Renovable [PFER].



Como consecuencia de los objetivos citados en el Libro Blanco y del protocolo de Kyoto se promulg la Directiva 2003/96/CE y la Directiva 2003/30/EC donde se fija el grado de sustitucin de combustibles fsiles requerido para el sector transporte, y la sustitucin de stos por biocarburantes. A la vista de todo ello y para dar cumplimiento a estos objetivos el Instituto para la Diversificacin de la Energa (IDAE) ha elaborado un Plan de Energas Renovables de Espaa (PER) [PERE, 2005, PERER, 2005] que constituye una revisin del Plan de Fomento de las Energas Renovables (PFER) [PFER, 2000] en Espaa 2000-2010 hasta ahora vigente.

24

Con esta revisin se trata de mantener el compromiso de producir con fuentes renovables al menos el 12% de la energa consumida en 2010, as como de incorporar los otros dos objetivos indicativos que son un 29,4% de generacin elctrica con renovables y 5,75% de biocarburantes en transporte para ese ao. De esta manera, se superarn los objetivos del Plan de Fomento que fij alcanzar las 500.000 tep a finales del ao 2010, partiendo de una situacin de referencia de total ausencia de plantas de produccin de biocarburantes en nuestro pas. As pues, asumiendo los objetivos de la Directiva 2003/30/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, del 8 de mayo de 2003 [DPE, 2003], se eleva el objetivo energtico para el sector de biocarburantes en el horizonte de 2010 hasta alcanzar 2,2 Mtep. Sin embargo, los combustibles ecolgicos no terminan de arrancar en Espaa de acuerdo con los datos recogidos por la Comisin Nacional de la Energa (CNE), que de acuerdo con el informe sobre el marco regulatorio de los carburantes sobre el biodisel y el bioetanol afirma, como ya se ha indicado, que para que en 2010 el 5,75% de los carburantes sean ecolgicos habra que multiplicar por 10 el consumo actual [CNE]. Por su parte, los productores de biocarburantes [APPA] afirman que se podra elevar el nivel de produccin hasta el 24,7%.

El dato objetivo es que, ante la situacin regulatoria en la que nos encontramos, y que describimos anteriormente, que apoya la sustitucin de combustibles fsiles por los biocarburantes y teniendo en cuenta la subida del precio del petrleo (que en 2006 ha alcanzado cifras de 70 $ el barril) nos encontramos en una situacin muy favorable para el desarrollo de los biocarburantes. En la tabla 4 se refleja una comparativa entre la situacin en el ao 2004 y los objetivos para el ao 2010 por Comunidades Autnomas, tanto del anterior Plan de Fomento como del Plan actual de Energas Renovables (PER).Objetivos totales acumulados CC.AA. Situacin 2004 (tep) Objetivo PFER 2010 (tep) Objetivo PER 2010 (tep)

Andaluca Aragn Asturias Baleares Canarias Cantabria Castilla-Len Castilla-La Mancha Catalua Extremadura Galicia Madrid Murcia Navarra La Rioja C. Valenciana Pas Vasco TOTAL

0 0 3.600 0 0 0 0 36.000 50.400 0 64.500 4.500 51.200 0 0 0 18.000 228.200

100.000 50.000 0 0 0 0 100.000 50.000 50.000 50.000 50.000 0 50.000 0 0 0 0 500.000

88.000 88.000 44.000 44.000 0 220.000 330.000 176.000 330.000 176.000 220.000 22.000 220.000CAPTULO 3 Marco general y regulatorio

25

154.000 0 0 88.000 2.200.000

TABLA 4 Objetivo Biocarburantes PFER y PER.Fuente: IDAE

Los objetivos energticos propuestos para cada tipo de recurso y biocarburante para el incremento de energa primaria durante el periodo 2005-2010 se recogen en la tabla 5.Objetivos energticos 2005-2010 (tep)

Recursos Cereales y biomasa Alcohol vnico Aceites vegetales puros Aceites vegetales usados Aplicaciones Bioetanol Biodisel TOTALES 750.000 1.221.800 550.000 200.000 1.021.800 200.000



Energa primaria (tep) TABLA 5 Objetivos Energticos Biocarburantes.Fuente: IDAE

1.971.800

Tal y como enumeramos de forma general anteriormente, la revisin del anterior Plan de Fomento de Energas Renovables, ha sido aconsejada por dos razones. Por una parte, el consumo de energa primaria y la intensidad energtica han crecido muy por encima de lo previsto y por otra parte, tras la aprobacin del Plan de Fomento se establecieron dos objetivos indicativos que hacen referencia a la generacin de electricidad con fuentes renovables y al consumo de biocarburantes. Todo ello est reflejado en las Directivas: La Directiva 2001/71/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 27 de septiembre de 2001, cuya transposicin se encuentra en fase de trmite. Y, ms importante para el tema que nos ocupa, la Directiva 2003/30/CE del parlamento Europeo y del Consejo, del 8 de mayo de 2003, relativa al uso de biocarburantes u otros combustibles renovables en el transporte. La Directiva ha sido transpuesta a la legislacin espaola a travs del Real Decreto 1700/2003, de 15 de diciembre [RD17, 2003]. Para dar confianza y movilizar las inversiones que posibiliten el cumplimiento de los objetivos es necesario que las ventajas fiscales se consoliden durante el periodo de amortizacin de las inversiones. Entre las medidas a tomar se contempla extender el esquema actual de incentivos fiscales durante al menos los diez primeros aos de vida de un proyecto. El grado de contribucin del objetivo y su coste durante el periodo 2005-2010 ser, respectivamente, de 1.972 ktep y de 2.855 M.

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Es de destacar las ayudas para este sector de la Convocatoria PROFIT 2005 [ITC, 2005] (Programa para el Fomento de la Investigacin Tcnica) y que se espera que para los aos siguientes continen en esa lnea. En cuanto a fiscalidad, los biocarburantes estn exentos del Impuesto de Hidrocarburos (IH), medida indispensable para su xito, aunque mejorable segn la opinin de asociaciones de productores de energa como APPA: fomenta la produccin, pero no el consumo, puesto que el tipo espaol para los combustibles fsiles es ms bajo que en los pases de nuestro entorno y con ello se favorece la exportacin de los biocarburantes. Una posible solucin a esta situacin podra venir por el mantenimiento del tipo cero para los biocarburantes y, en lnea con la legislacin francesa, la fijacin de un IH diferenciado en funcin de su aplicacin a diferentes mezclas con biocarburantes, estableciendo tramos segn la proporcin de las mismas. Este rediseo del IH, que incrementara la competitividad de los biocarburantes en el mercado global, puede ser una medida con neutralidad recaudatoria al incrementarse su presencia en el cmputo total. Por otro lado, la comercializacin de biocarburantes s est sometida al Impuesto de Ventas Minoristas de Hidrocarburos (IVMH); esta obligacin a juicio de los productores de biodisel [APPA] no es coherente con la exencin del IH ni con otras disposiciones legales y consideran que habra que eliminarla. Como se ha adelantado en el punto anterior, la incertidumbre sobre el tratamiento fiscal preferente a partir del 2012 es uno de los frenos para la entrada de capital productivo. Una buena medida, de mbito comunitario, sera garantizar su prolongacin ms all de ese ao, as como el establecimiento de mecanismos de revisin de la exencin que tuviesen en cuenta tanto la evolucin del sector plurianualmente, como los factores propios de sus dos mercados de referencia, el agrcola y el energtico, a fin de evitar la aprobacin de medidas precipitadas y contraproducentes. Es de destacar tambin el importante crecimiento de las energas renovables, y por ende del biodisel, previsto por el PER que representa una oportunidad para la innovacin tecnolgica. As, el desarrollo a medio y largo plazo de este sector est directamente vinculado con los avances que se realicen en este captulo, tanto en lo que se refiere a la produccin de materia prima como en los procesos de transformacin. Por una parte, en cultivos de alta productividad y por otra, en los procesos de transformacin. Los objetivos que enumera el PER en este sentido se presentan a continuacin: Desarrollo de tecnologas para la recogida, transporte, acondicionamiento y almacenamiento de materia prima.

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CAPTULO 3 Marco general y regulatorio

Bsqueda y seleccin de especies oleaginosas ms adaptadas a las caractersticas agronmicas de Espaa y que permitan una produccin de calidad a bajo coste. Desarrollo de tecnologas de produccin de biocarburantes a partir de productos lignocelulsicos y/o semillas, as como de grasas animales. Realizar experiencias de demostracin de larga duracin de uso de biocarburantes en flotas cautivas Por su parte, en al caso de Madrid, existe un Plan Energtico Regional, de aplicacin hasta el ao 2012 [PECM, 2004] que favorece el desarrollo de estas tecnologas. Por otra parte, recientemente se ha creado el Centro de Ahorro y Eficiencia Energtica de la Comunidad de Madrid.



En relacin al Protocolo de Kyoto, y dado que puede afectar al biodisel, cabe decir que el sector del transporte en Espaa emite un 25% de todos los Gases de Efecto Invernadero (GEI). Dichas emisiones no se encuentran contempladas en el Protocolo porque resulta complicada la implantacin de medidas para cumplir los objetivos para este sector. Sin embargo, la Directiva 2003/87/CE que estableci el mercado europeo de derechos de emisin ser revisada a ms tardar en octubre de 2006 y segn el apartado 2a de su artculo 30, entre los aspectos que sern considerados en esta prxima revisin est la inclusin del sector del transporte. Por ltimo, tal y como se coment anteriormente, es de destacar que la produccin de biocombustibles lquidos puede suponer una alternativa interesante para aquellas tierras agrcolas que, como resultado de la Poltica Agraria Comn (PAC) [PAC] que limita la superficie dedicada a los diversos cultivos herbceos extensivos, pueden quedar abandonadas, contribuyendo as a la generacin de empleo en el rea rural (ver Reglamento CE N.1259/1999 del Consejo de 17 de mayo de 1999) [RCE, 1999]. Tradicionalmente, tanto los cultivos destinados a la produccin de biodisel como bioetanol se han dedicado a la produccin alimentara y su utilizacin energtica ha sido planteada sobre la base de las condiciones econmicas creadas por la retirada obligatoria de tierras establecida por la PAC. En esta situacin, el precio de las materias primas est regido por el mercado alimentario que, por lo general, es excesivamente alto para el sector energtico, existiendo el riesgo de fluctuaciones de precios que afectan a la rentabilidad de los proyectos. El coste de la produccin del biocarburante depende, principalmente, del precio de la materia prima. Esta es la barrera principal que ha impedido el desarrollo de la industria de los biocarburantes, ya que al agricultor se le ofrecen precios inferiores a los correspondientes a los destinados a la alimentacin y no le resulta interesante

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su cultivo. Por ello, deben existir medidas de apoyo que se traduzcan en un desarrollo real de cultivos no alimentarios, creadores de empleo, y que deberan de tenerse en cuenta a la hora de proseguir la reforma de la PAC. Las medidas aplicadas hasta ahora, en relacin con el cultivo de productos no alimenticios en superficies que son objeto de subvencin en concepto de retirada de explotaciones agrcolas, aunque merecen una valoracin positiva, no han sido suficientes.

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CAPTULO 3 Marco general y regulatorio

CAPTULO 4

Biodisel4.1. Definicin y especificaciones del biodisel(PG. 32) (PG. 35)

4.2. Materias primas para la produccin de biodisel 4.3. Reacciones en la produccin de biodisel

(PG. 40) (PG. 49)

4.4. Procesos en la produccin industrial de biodisel 4.5. Aplicaciones(PG. 55) (PG. 65)

4.6. Produccin de biodisel

4.1

Definicin y especificaciones del biodisel

El biodisel es un biocarburante lquido producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, siendo la colza, el girasol y la soja las materias primas ms utilizadas para este fin. Las propiedades del biodisel son prcticamente las mismas que las del gasleo de automocin en cuanto a densidad y nmero de cetano. Adems, presenta un punto de inflamacin superior. Por todo ello, el biodisel puede mezclarse con el gasoleo para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente si se adaptan stos convenientemente. La definicin de biodisel propuesta por las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Material Standard, asociacin internacional de normativa de calidad) lo describe como steres monoalqulicos de cidos grasos de cadena larga derivados de lpidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales, y que se emplean en motores de ignicin de compresin. Sin embargo, los steres ms utilizados, como veremos ms adelante, son los de metanol y etanol (obtenidos a partir de la transesterificacin de cualquier tipo de aceites vegetales o grasas animales o de la esterificacin de los cidos grasos) debido a su bajo coste y sus ventajas qumicas y fsicas. A diferencia de otros combustibles, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima. Esto es la causa de que sea preciso tener en cuenta las caractersticas de los mercados agrcolas, junto a la complejidad que ya de por s presentan los mercados energticos. En este sentido, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente. Al asegurar la existencia de una demanda de biocarburantes, el desarrollo de su mercado puede aprovecharse para potenciar otras polticas como la agrcola, favoreciendo la creacin de empleo en el sector primario, la fijacin de poblacin en el mbito rural, el desarrollo industrial y de actividades agrcolas, y reduciendo a la vez los efectos de la desertizacin gracias a la plantacin de cultivos energticos. En cuanto a la utilizacin del biodisel como combustible de automocin, ha de sealarse que las caractersticas de los steres son ms parecidas a las del gasleo que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del ster es dos veces superior a la del gasleo frente a diez veces ms de la del aceite crudo; adems el ndice de cetano de los steres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. ASTM ha especificado distintas pruebas que se deben realizar a los combustibles para asegurar su correcto funcionamiento. En la tabla 6 se enumeran las especificaciones establecidas para el biodisel y el mtodo de ensayo correspondiente.



Lmites Propiedad Unidad Mnimo Mximo Mtodo de ensayo

Contenido en ster a Densidad a 15C c

% (m/m) kg/m2 mm2/g C mg/kg % (m/m)

96,5 b 860 3,50 120 51,0 900 5,00 10,0 0,30

EN 14103 EN ISO 3675 EN ISO 12185 EN ISO 3104 prEN ISO 3679 e prEN ISO 20846 prEN ISO 20884 EN ISO 10370 EN ISO 5165 0,02 500 24 Clase 1 ISO 3987 EN ISO 12937 EN 12662 EN ISO 2160 0,50 120 12,0 1 0,20 0,80 0,20 0,20 0,02 0,25 5,0 5,0 10,0 EN 14110 EN 14105 EN 14105 EN 14105 EN 14105 EN 14106 EN 14105 EN 14108 EN 14109 prEN 14538 EN 14107CAPTULO 4 Biodisel

Viscosidad a 40C d Punto de inflamacin Contenido de azufre Resduo de carbn (en 10% de residuo destilado) f ndice de cetano g Contenido de cenizas sulfatadas Contenido en agua Contaminacin total h Corrosin de la tira de cobre (3h a 50C) Estabilidad a la oxidacin 110C ndice de cido ndice de yodo ster de metilo de cido linolico steres de metilo poli-insaturados i (> = a 4 dobles enlaces) Contenido de metanol Contenido en monoglicidos Contenido en diglicridos Contenido en triglicridos Glicerol libre j Glicerol total Metales del grupo I (Na+K) K Metales del grupo II (Ca+Mg) l Contenido de fsforo TABLA 6 Propiedades del biodisel.j

% (m/m) mg/kg mg/kg Clasificacin Horas mg KOH/g g de yodo/100g % (m/m) % (m/m) % (m/m) % (m/m) % (m/m) % (m/m) % (m/m) % (m/m) mg/kg mg/kg mg/kg

-

6,0

EN 14112 EN 14104 EN 14111 EN 14103

33

Fuente: Wearcheckiberica. Boletn Mensual, septiembre 2004

Nota 1 El ndice de Yodo es actualmente 140 Nota 2 La definicin de las propiedades reflejadas en esta tabla se encuentra en el Captulo 11 Glosario

El biodisel necesita disponer de unas especificaciones que enumere las propiedades y garantice la calidad de producto. Adems, el biodisel debe cumplir los requisitos para los combustibles minerales de automocin y que se encuentran recogidas en la norma

europea EN-590 [ED]. Los requerimientos especficos y los mtodos de control para la comercializacin y distribucin de steres metlicos de cidos grasos FAME- para su utilizacin en motores diesel con 100% de concentracin se encuentran en la norma EN 14214 transcrita a la legislacin espaola en el RD 398/1996 [RD398, 1996] y el RD 1728/1999 [RD1728, 1999] en concordancia con la Directiva Europea 98/70/CE. Como se observa en las especificaciones el valor de ndice de yodo ha subido de 120 a 140. El ndice de yodo mide el nmero de insaturaciones, y una mayor proporcin de dobles enlaces supone una mayor tendencia a la oxidacin. La especificacin de 120 podra excluir a los steres de girasol, algo ms insaturados y con el ndice de yodo ms alto, pero en Espaa al haberse fijado el ndice de yodo en 140 ya no existe este problema con lo que s que entraran dentro de las especificaciones productos como el girasol, materia prima habitualmente utilizada para producir biodisel en nuestro pas.



Por ello, en Espaa se estn desarrollando trabajos en los ltimos aos para la utilizacin de biodisel de girasol en distintas proporciones. En este sentido se han realizado una serie de ensayos en laboratorios y en banco de motores con biodisel de girasol puro y en mezclas al 30% en el marco de un proyecto financiado por el programa Altener de la UE en el que participaron la Universidad de Zaragoza y el IDAE. En esta lnea Repsol tambin realiz ensayos en banco de motores con mezclas de steres de girasol al 30%; en este proyecto se han realizado ensayos de la mezcla en flotas cautivas de autobuses urbanos en Valencia, Valladolid y Madrid. De los resultados de estos proyectos se deduce que no tiene por qu excluirse a los steres de girasol de la especificacin ya que su comportamiento es similar a los de colza. Actualmente se est discutiendo la posibilidad de establecer un ndice de yodo para el producto final (para la mezcla empleada) con lo que el ndice de yodo en la mezcla del ster metlico de girasol y diesel mineral estara dentro de las especificaciones.

34

4.2

Materias primas para la produccin de biodisel

Las materias primas ms comunes utilizadas en Espaa para la fabricacin de biodisel son los aceites de fritura usados y el aceite de girasol (el contenido medio del girasol en aceite es de 44% por lo que en Espaa ser la mejor opcin en cuanto a agricultura energtica). Tambin se estn realizando pruebas con aceite de colza y con Brassica carinata. Tanto en Espaa como a nivel internacional, se puede decir que la produccin de biodisel tiende a provenir mayoritariamente de los aceites extrados de plantas oleaginosas, especialmente girasol (en Espaa e Italia) y colza (en pases de Centroeuropa). Las oleaginosas se importan a Europa para obtener la protena y luego los aceites son reexportados fuera de la UE. La utilizacin de los mismos en la fabricacin de biodisel dara salida interior a dicho producto, evitando la reexportacin. Cualquier materia que contenga triglicridos puede utilizarse para la produccin de biodisel (girasol, colza, soja, aceites de fritura usado, sebo de vaca,...). Por otra parte, en Espaa, la utilizacin de aceites usados es todava significativa. A continuacin se detallan las principales materias primas para la elaboracin de biodisel [Vicente 1998, 2001]: Aceites vegetales convencionales Aceite de girasol Aceite de colza Aceite de soja Aceite de coco Aceite de palmaCAPTULO 4 Biodisel

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Aceites vegetales alternativos Aceite de Brassica carinata Aceite de Cynara curdunculus Aceite de Camelina sativa Aceite de Crambe abyssinica Aceite de Pogianus Aceite de Jatropha curcas

Aceites de semillas modificadas genticamente Aceite de girasol de alto oleico

Grasas animales Sebo de vaca Sebo de bfalo Aceites de fritura usados Aceites de otras fuentes Aceites de producciones microbianas Aceites de microalgas

Aceites vegetales convencionalesLas materias primas utilizadas convencionalmente en la produccin de biodisel han sido los aceites de semillas oleaginosas como el girasol y la colza (Europa), la soja (Estados Unidos) y el coco (Filipinas); y los aceites de frutos oleaginosos como la palma (Malasia e Indonesia). Por razones climatolgicas, la colza (Brassica napus) se produce principalmente en el norte de Europa y el girasol (Helianthus annuus) en los pases mediterrneos del sur, como Espaa o Italia [Vicente, 2001]. La utilizacin de estos aceites para producir biodisel en Europa ha estado asociada a las regulaciones de retirada obligatoria de tierras de la Poltica Agraria Comn (PAC) que permite el cultivo de semillas oleaginosas a precios razonables. Sin embargo, la dedicacin de slo las tierras de retirada para la produccin de materias primas energticas supone un riesgo por cuanto estas superficies varan en el tiempo, ya que el rgimen de retirada de tierras depende de la oferta y la demanda de cereales alimentarios, lo que implica que este ndice est sujeto a alteraciones. En nuestro pas, el uso de cultivos tradicionales como energticos est condicionado adems por la produccin del aceite, ya que la produccin media por hectrea de aceite de girasol resulta poco atractivo, desde el punto de vista del agricultor, para elegir este cultivo como fuente de obtencin de biocarburantes.



Aceites vegetales alternativosAdems de los aceites vegetales convencionales, existen otras especies ms adaptadas a las condiciones del pas donde se desarrollan y mejor posicionadas en el mbito de los cultivos energticos. En este sentido, destacan la utilizacin, como materias primas de la produccin de biodisel, de los aceites de Camelina sativa, Crambe abyssinica y Jatropha curcas. Existen otros cultivos que se adaptan mejor a las condiciones de nuestro pas y que presentan rendimientos de produccin mayores. En concreto, se trata de los cultivos de Brassica carinata y Cynara cardunculus. La Brassica carinata es una alternativa real al secano y regado extensivo. La Cynara cardunculus es un cultivo plurianual y permanente, de unos diez aos de ocupacin del terreno, y orientado fundamentalmente a la produccin de biomasa, aunque tambin pueden aprovecharse sus semillas para la obtencin de aceite. Se obtienen de 2.000 a 3.000 kilogramos de semillas, cuyo aceite sirve de materia prima para la fabricacin de biodisel [Vicente, 1998, 2001].

Aceites vegetales modificados genticamenteLos aceites y las grasas se diferencian principalmente en su contenido en cidos grasos. Los aceites con proporciones altas de cidos grasos insaturados, como el aceite de girasol o de Camelina sativa, mejoran la operatividad del biodisel a bajas temperaturas, pero diminuyen su estabilidad a la oxidacin, que se traduce en un ndice de yodo elevado. Por este motivo, se pueden tener en consideracin, como materias primas para producir biodisel, los aceites con elevado contenido en insaturaciones, que han sido modificados genticamente para reducir esta proporcin, como el aceite de girasol de alto oleico [Vicente 1998, 2001].

Aceites de fritura usadosEl aceite de fritura usado es una de las alternativas con mejores perspectivas en la produccin de biodisel, ya que es la materia prima ms barata, y con su utilizacin se evitan los costes de tratamiento como residuo. Espaa es un gran consumidor de aceites vegetales, centrndose el consumo en aceite de oliva y girasol. Por su parte, los aceites usados presentan un bajo nivel de reutilizacin, por lo que no sufren grandes alteraciones y muestran una buena aptitud para su aprovechamiento como biocombustible. La produccin de los aceites usados en Espaa se sita en torno a las 750.000 toneladas/ao, segn cifras del 2004. Adems, como valor aadido, la utilizacin de aceites usados significa la buena gestin y uso del residuo. El informe sobre el marco regulatorio de los carburantes propone reciclar aceite de fritura en biodisel. Esta alternativa es la que ms ventajas tiene porque adems de producir combustible elimina un residuo contaminante como es el aceite usado. Este aceite da problemas al depurar el agua; sin embargo, su recogida es problemtica. La Comisin Europea propone que el Ministerio de Medio Ambiente y los Ayuntamientos creen un sistema de recogida de aceite frito, oleinas y grasas en tres etapas: industrial, hostelera y domstica. La utilizacin de aceites usados presenta dificultades logsticas, no slo por su recogida, como se ha dicho, sino tambin por su control y trazabilidad debido a su carcter de residuo. En el caso espaol, dicha recogida no est siendo promovida enrgicamente por la Administracin pese a que la Ley 10/98 de Residuos establece la prohibicin de verter aceites usados, lo cual es un incentivo ms para su utilizacin en la fabricacin de biodisel.

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CAPTULO 4 Biodisel

Grasas animalesAdems de los aceites vegetales y los aceites de fritura usados, las grasas animales, y ms concretamente el sebo de vaca, pueden utilizarse como materia prima de la transesterificacin para obtener biodisel. El sebo tiene diferentes grados de calidad respecto a su utilizacin en la alimentacin, emplendose los de peor calidad en la formulacin de los alimentos de animales. La aplicacin de grasas animales surgi a

raz de la prohibicin de su utilizacin en la produccin de piensos, como salida para los mismos como subproducto. Sin embargo, actualmente no existe un nivel de aplicacin industrial en Espaa.

Aceites de otras fuentesPor otra parte, es interesante sealar la produccin de lpidos de composiciones similares a los aceites vegetales, mediante procesos microbianos, a partir de algas, bacterias y hongos, as como a partir de microalgas.

Otras fuentesPor ltimo, cabe destacar que est en estudio la utilizacin de bioetanol y biometanol en el proceso de esterificacin de dichos aceites para la produccin de biodisel, al igual que el desarrollo de cultivos especficos para fines energticos, no alimentarios.



Por tanto, los biocarburantes presentan la particularidad de utilizar productos vegetales como materia prima y, por tanto hay que tener en cuenta las caractersticas de los mercados agrcolas, junto a la complejidad que ya de por s presentan los mercados energticos. En este sentido, tal como se coment anteriormente, hay que destacar que el desarrollo de la industria de los biocarburantes no depende principalmente de la disponibilidad local de materia prima, sino de la existencia de una demanda suficiente, que puede servir para potenciar otras polticas como la agrcola. Para la produccin de estos aceites existe la posibilidad de cultivar estas especies (girasol o colza) en las tierras de retirada obligatoria reguladas por la Poltica Agraria Comn (PAC). El problema de este planteamiento es que la retirada de tierras est sujeta a variaciones anuales y ello puede crear incertidumbre en cuanto al suministro. Esencialmente la reforma de la PAC implica una serie de elementos de simplificacin. En el sector de los cultivos herbceos, se trata principalmente de la supresin de la retirada extraordinaria de tierras, del abandono de las superficies de base individuales y de la simplificacin de los pagos compensatorios para las semillas oleaginosas. Adems, existir un nico comit de gestin que ser responsable de todos los cultivos herbceos. Los cultivos de girasol cuentan con el problema de su baja rentabilidad para el agricultor. Para asegurar un volumen continuo de suministro, las materias primas para usos energticos deberan proceder de las mismas tierras que las destinadas a usos alimentarios, recibir las mismas ayudas y comercializarse de forma no diferenciada. La Unin Europea prepara un Plan de Accin en Biomasa con medidas y acciones para impulsar la generacin de electricidad y calor, incluyendo tambin los biocombustibles

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para el transporte, que permita alcanzar los objetivos fijados. Por otro lado, las ltimas reformas desarrolladas en el marco de la Poltica Agraria Comn (PAC) incluyen la introduccin de una ayuda especfica para cultivos destinados bajo contrato a la produccin de biocombustibles o energa trmica elctrica a partir de biomasa, medida que entrar en vigor en nuestro pas en el 2006. En Espaa, asimismo, se constituy en octubre de 2004 la Comisin Interministerial de la Biomasa con el objetivo de analizar la situacin del sector y proponer distintas actuaciones. Se incluyen la adaptacin de la normativa y la propuesta de actividades de investigacin en relacin con cultivos energticos, desarrollo de tecnologas de cultivos y recogida, as como valorizacin energtica de los estircoles [Cabrera, 2006].

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CAPTULO 4 Biodisel

4.3

Reacciones en la produccin de biodisel

4.3.1 Reacciones de trasesterificacin de triglicridosAunque la esterificacin es un proceso posible, sin embargo el mtodo utilizado comercialmente para la obtencin de biodisel es la transesterificacin (tambin llamada alcohlisis). Se basa en la reaccin de molculas de triglicridos (el nmero de tomos de las cadenas est comprendido entre 15 y 23, siendo el ms habitual de 18) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) para producir steres y glicerina (que puede ser utilizada en cosmtica, alimentacin, farmacia, etc.). La reaccin de transesterificacin, que se presenta en la grfica 2, se desarrolla en una proporcin molar de alcohol a triglicrido de 3 a 1, reaccionando en la metanlisis 1 mol de triglicrdo con 3 moles de alcohol (aunque se aade una cantidad adicional de alcohol para desplazar la reaccin hacia la formacin del ster metlico). El triglicrido es el principal componente del aceite vegetal o la grasa animal. Adems, la formacin de la base de la glicerina, inmiscible con los steres metlicos, juega un papel importante en el desplazamiento de la reaccin hacia la derecha, alcanzndose conversiones cercanas al 100%.



R - COO - CH2 (Catalizacin) R - COO - CH + 3R - COO - CH3

H2C - OH

3R - COO - CH3 + HC - OH

R - COO - CH2

H2C - OH

Aceite vegetal Metanol

Ester metlico Glicerol

GRFICA 2 Reaccin de transesterificacin.

En la grafica 3 se presentan las diferentes reacciones que tienen lugar en la transesterificacin, la cual consiste qumicamente en tres reacciones reversibles y consecutivas. El triglicrido es convertido consecutivamente en diglicrido, monoglicrido y glicerina. En cada reaccin un mol de ster metlico es liberado.

CH2 - -OO- -CO - -RR CH2 CO 1 1 CH - -OO- -CO - -RR CH CO 2 2 CH2 - -OO- -CO - -RR CH2 CO 3 3 Triglicrido Triglicrido CH2 - -OO- -CO - -RR CH2 CO 1 1 CH - -OO- -CO - -RR CH CO 2 2 CH2 - -OH CH2 OH Diglicrido Diglicrido CH2 - -OH CH2 OH CH - -OO- -CO - -RR CH CO 2 2 CH2 - -OH CH2 OH Monoglicrido Monoglicrido Metanol Metanol ster Metlico ster Metlico ++ CH3OH CH3OH CH3 - -OO- -CO - -RR CH3 CO 2 2 ++ Metanol Metanol ster Metlico ster Metlico ++ CH3OH CH3OH CH3 - -OO- -CO - -RR CH3 CO 1 1 ++ Metanol Metanol ster Metlico ster Metlico ++ CH3OH CH3OH CH3 - -OO- -CO - -RR CH3 CO 3 3 ++

CH2 - O - CO - R1 CH - -OO- -CO - -RR CH CO 2 2 CH2 - -OH CH2 OH Diglicrido Diglicrido CH2 - -OH CH2 OH CH - O - CO - R2 CH2 - -OH CH2 OH Monoglicrido Monoglicrido CH2 - -OH CH2 OH CH - -OH CH OH CH2 - -OH CH2 OH Glicerina GlicerinaCAPTULO 4 Biodisel

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GRFICA 3 Reacciones implicadas en la transesterificacin.

En la reaccin de transesterificacin se utiliza un catalizador para mejorar la velocidad de reaccin y el rendimiento final, amen que sin l no sera posible esta reaccin. Los catalizadores pueden ser cidos homogneos (H2SO4, HCl, H3PO4, RSO3), cidos hterogeneos (Zeolitas, Resinas Sulfnicas, SO4/ZrO2, WO3/ZrO2), bsicos heterogneos (MgO, CaO, Na/NaOH/Al2O3), bsicos homogeneos (KOH, NaOH) o enzimticos (Lipasas: Candida, Penicillium, Pseudomonas); de todos ellos, los catalizadores que se suelen utilizar a escala comercial son los catalizadores homogneos bsicos ya que actan mucho ms rpido y adems permiten operar en condiciones moderadas. En el caso de la reaccin de transesterificacin, cuando se utiliza un catalizador cido se requieren condiciones de temperaturas elevadas y tiempos de reaccin largos, por ello es frecuente la utilizacin de derivados de cidos ms activos.

Sin embargo, la utilizacin de lcalis, que como se ha comentado es la opcin ms utilizada a escala industrial, implica que los glicridos y el alcohol deben ser anhidros (80 atm) la reaccin se completa en 4 minutos. Los costes de instalacin y los costes de operacin son ms altos y la energa consumida mayor, por lo que aunque los resultados mediante este proceso son muy interesantes, el escalado de estas instalaciones a nivel industrial puede ser difcil. En la grfica 11 se representa el diagrama de bloques de un proceso en el que se utiliza un reactor supercrtico, sin necesidad de aadir catalizadores.Metanol Esteres Triglicridos



Alcohol

Reactor Supercrtico

Separacin Sales

GRFICA 11 Proceso de produccin de biodisel mediante proceso supercrtico.Fuente: NREL

54

4.5

Aplicaciones

Los carburantes obtenidos a partir de cultivos y de otras materias orgnicas, los llamados biocarburantes, presentan una serie de ventajas para el sector del transporte. En primer lugar, los biocarburantes pueden contribuir a reducir el crecimiento en las emisiones de dixido de carbono (CO2) haciendo posible as que la Unin Europea cumpla los compromisos adquiridos en virtud del Protocolo de Kyoto. Por otra parte, reduciendo la dependencia que el sector del transporte tiene del petrleo (actualmente del 98 %), tambin pueden contribuir a diversificar y mejorar la seguridad en el suministro de carburante. Asimismo, estos carburantes pueden ser fuentes alternativas de ingresos para las reas rurales de la Unin Europea. El porcentaje en Espaa de biocarburantes utilizados en el sector transporte desde 1994 ha ido aumentado constantemente de un ao a otro, tal y como se representa en la grfica 12.% 0,5

0,4

55

0,3

0,2

0,1CAPTULO 4 Biodisel

0,0

GRFICA 12 Porcentaje de biocarburantes en el consumo total de carburantes en el sector del transporte, 1994-2002.Fuente: Asociacin Espaola de Productores de Energa Renovable (APPA).

El biodisel es una mezcla de steres metlicos derivados de los cidos grasos presentes en los aceites vegetales obtenidos de manera mayoritaria por reaccin de transesterificacin de los mismos con metanol. Se trata, por tanto, de un combustible renovable con un balance de emisin de CO2 bajo, que ayudara a cumplir los compromisos firmados en el protocolo de Kyoto por Espaa. La reduccin de emisiones de CO2 al usar biocarburantes no es del 100% puesto que hay que tener en cuenta la energa consumida en el proceso de produccin de los mismos, debido a lo cual el balance no es nulo y se emite CO2. Los steres metlicos derivados de los aceites vegetales poseen unas caractersticas fsicas y fisicoqumicas parecidas al gasleo, lo que permite mezclarlos en cualquier

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proporcin y usarlos en los vehculos disel convencionales, sin realizar importantes modificaciones en el diseo bsico del motor. Sin embargo, en proporciones superiores al 5% es necesario reemplazar el material empleado en el circuito de alimentacin de combustible por otro ms resistente, ya que se puede dteriorar por el mayor poder disolvente del biodisel. Para evitar introducir las modificaciones en los motores que se requieren para la utilizacin de aceites vegetales sin modificar, y mejorar sustancialmente sus caractersticas como carburantes, se recurre a transformarlos en sus derivados steres metlicos o etlicos. Los aceites procedentes de plantas generalmente contienen cidos grasos, fosfolpidos y otras impurezas, lo que dificulta la utilizacin de los aceites como combustible directamente. Pero su gran inconveniente es la elevada viscosidad que tienen, como se puede ver en la tabla 6. Para superar este problema el aceite necesita modificarse qumicamente, principalmente por transesterificacin, pirlisis o emulsificacin. De todos ellos, como ya se ha mencionado, la transesterificacin es el proceso que produce combustibles de forma ms limpia y respetuosa con el medio ambiente.Propiedad Gasleo Aceite de Girasol Metil Ester de Girasol Aceite de Colza Metil Ester de Colza



Densidad (15C)(Kg/l) Punto de ignicin (C) Viscosidad cinemtica (37,8C)(mm2/s) Nmero de cetano Calor bruto de combustin (mj/Kg) Punto de enturbamiento (C) Azufre (% peso) Residuo de carbn (% peso)

0,84 63 3,2

0,92 215 35

0,89 183 4,2

0,9 200 39

0,883 153 4,8

56

45-50 44

33 39,5

47-51 40

35-40 -

52 40

0-(+3) 0,3 0,2

-6,6

vt4 bio car bur antes liquidos biodiesel y bioetanol

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