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Los problemas del biodiésel: diferenciación química con el petrodiésel

18 enero 2012 · por Antonio Turiel

Queridos lectores,

He aquí el primer post sobre los problemas prácticos de usar biodiésel en nuestros motores actuales. Escrito por un ingeniero químico con décadas de experiencia, es un post muy técnico pero también muy clarificador de un problema poco abordado: el de la imperfecta sustitutibilidad del diésel convencional (petrodiésel) por biodiésel.

Salu2,

AMT

Cuandopienso en biodiésel, me viene a la memoria la frase “Nada nuevobajo el Sol”, y es que ya en el año 1893 el ingeniero alemánRudolf Diesel hizo funcionar por primera vez un motor monocilíndricoalimentado nada menos que con aceite de cacahuete.

Suvisión de futuro era pasmosa ya que en un discurso de 1912 dijo: “eluso de aceites vegetales como combustible para motores puede parecerinsignificante hoy, pero con el paso del tiempo será importante comosustituto del petróleo y del carbón”.

Apesar de este inicio, los aceites vegetales fueron sustituidosrápidamente por hidrocarburos obtenidos de la destilación delpetróleo por su menor coste y mejores propiedades y ventajastécnicas. La fracción del petróleo usada como combustible paralos motores diésel, es la que llamamos diésel (gas-oil , gasóleo)en honor al inventor del motor.

Araíz de la crisis del petróleo de los años 70 del siglo pasado,seretomó de nuevo el uso de aceites vegetales como punto de partidapara desarrollar carburantes de motores diésel.

Losproblemas a resolver que producía el uso directo de los aceitesvegetales como combustibles en motores diésel se había visto queeran principalmente :

Alta viscosidad (dificulta la pulverización en la cámara de combustión)
Baja Volatilidad (dificulta la formación de mezcla aire-combustible)
Temperatura de gelificación alta ( en invierno se forman geles por debajo de 10-15ºC)
Combustión incompleta con tendencia a formar residuos carbonosos y polímeros gomosos en las cámaras de combustión

Estosproblemas son debidos a que los aceites vegetales son químicamenteTriglicéridos, esto es, ésteres de distintos ácidos grasos y deglicerol ó glicerina (propanotriol).

Cadamolécula consta de tres ácidos grasos que pueden ser iguales odistintos y una molécula de glicerol, el elevado peso molecular esel responsable de la baja volatilidad y la alta viscosidad.

Losácidos grasos, de los aceites son principalmente hidrocarburoslineales con cadenas desde C4 hasta C30 y terminados en un grupoácido. Las cadenas pueden ser saturadas (p.e. Acido Estearico) einsaturadas con uno (p.e. Oleico), dos (p.e. Linoleico) y hasta tresdobles enlaces (p.e. Linolénico).

Losácidos grasos al tener mucha similitud con los hidrocarburosconstituyentes del diésel del petróleo (petrodiésel), se pensóque separándolos de la glicerina y cambiando ésta por unmonoalcohol de cadena corta (Metanol, Etanol) tendrían uncomportamiento muy parecido al petrodiésel.

Asíse desarrollaron los Biodiésel, el proceso más empleado hasta ahorapara su fabricación es el de la Transesterificación en el que serompe el triéster ácido-glicerina y se sustituye ésta por unmonoalcohol (Metanol, Etanol) en presencia de un catalizadornormalmente un álcali fuerte (Sosa, Potasa) el resultado es laformación de tres moléculas de Ester (Metílico-Etílico) y una deglicerina.

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Parafavorecer el rendimiento de la reacción, se debe utilizar un excesode alcohol sobre el estequiométrico y hacer la reacción en calientecasi al punto de ebullición del alcohol.

Aúnasí al final quedan cierta cantidad de Triglicéridos sinreaccionar, Diglicéridos (sólo se desplaza un ácido),Monoglicéridos (sólo se desplazan dos ácidos) junto con laglicerina, el exceso de alcohol, los restos de catalizador y los ésteres.

Lareacción debe estar lo más exenta posible de humedad pues lapresencia de agua provoca la formación de jabones sódicos opotásicos de los ácidos grasos.

Paraevitar al máximo la formación de Mono y diglicéridos cuanto máscorta es la cadena del alcohol mejor rendimiento se obtiene al sermenor el impedimento estérico frente al triglicérido, por esto elalcohol más empleado es el Metanol.

Despuésde la reacción debe procederse a las operaciones de separación detodas las impurezas y subproductos de la reacción, unamicrofiltración y la adición de aditivos para mejorar propiedadesde viscosidad, punto de congelación y antioxidantes. Debealmacenarse en lugares muy secos y en depósitos expresamentediseñados para este tipo de combustible.

Losésteres metílicos de ácidos grasos, al contener en su moléculados átomos de oxígeno y en las cadenas del ácido graso doblesenlaces (insaturación) tienen un comportamiento muy distinto de loshidrocarburos del petrodiésel.

Lapresencia de oxígeno, le daun carácter más polar y por ello una mayor viscosidad , una mayordensidad, un punto de gelificación a mayor temperatura, menor poderenergético por unidad de volumen (un 7%) , mayor formación deóxidos nitrosos en la combustión, mayor propensión a formarcompuestos ácidos , mayor poder disolvente atacando y ablandando lasjuntas y gomas en contacto. En depósitos de vehículos que sólo hancontenido petrodiésel, al poner biodiésel, se disuelven todas lasimpurezas que había en los fondos y conductos, obturando filtros einyectores. Es más higroscópico y absorbe humedad ambiental.

Eldoble enlace es propenso a la oxidación, seforman peróxidos y compuestos ácidos, provocando la formación depolímeros y lacas en la cámara de combustión y corrosión enmetales blandos (cobre, estaño, etc).

Comose oxida más fácilmente, el tiempo de vida del biodiésel eslimitado y aunque se conserve en depósitos adecuados y se añadanaditivos, no dura más allá de unos 6 – 10 meses.

Otrograve inconveniente es que en presencia de humedad, se formanfácilmente colonias de bacterias anaeróbicas precipitandosedimentos gomosos en los fondos de depósitos y en las conducciones,obturando fácilmente los filtros.

Comoventajas tienen mayor poder de lubricación y una menorformación de monóxido de carbono ( CO ) en la combustión, unamenor emisión de hidrocarburos libres y de compuestos aromáticos ycicloalifáticos. Menor formación de micropartículas carbonosas enlos gases de escape y prácticamente exento de azufre. Mayorbiodegradabilidad.

Unbuen poder detonante, pues tiene un alto Indice de Cetano(Hidrocarburo C16) que equivaldría en diésel al Indice de Octano enel caso de la gasolina

LosEsteres Metílicos de Acidos Grasos ó FAME por sus siglas en ingés(Fatty Acid Methyl Ester) pueden usarse sólos (100%) el llamadogasoil tipo “B100” en algunos vehículos industriales ó enmezclas con el diésel del petróleo. Normalmente se está usando conun 5% (gasoil tipo “B5”)

Losaceites más usados como fuente del biodiésel son los de colza ygirasol en países de clima templado (Europa) aceite de soja yAceite de Palma en los países tropicales.

Losrendimientos medios en aceite elaborado son:

Aceitede Colza: 954 Lt/Ha

Aceitede Soja : 922 “

Aceitede Girasol: 767 “

Aceitede Palma: 4.570 “

Seestá trabajando intensamente en intentar obtener Aceites a partirdel cultivo de algas microscópicas, pero aún no se ha pasado de lafase de Planta Piloto.

Apartedel método de la transesterificación, hay otros métodos demodificar los aceites tanto vegetales como animales que permitenobtener hidrocarburos de distinta composición susceptibles de usarsecomo combustibles en motores diésel, pero todos son másconsumidores de energía que el descrito.

Porejemplo, para evitar los problemas de la insaturación y ademásseleccionar los ácidos grasos con la cadena que consideremos óptimapara dar un buen rendimiento y un alto índice de cetano, podríamospor ejemplo destilar los FAME en una torre a alto vacío yseleccionar el intervalo de destilación óptimo para motores diésel,ó se podría hacer la hidrólisis ácida o alcalina de los aceites yseparar los ácidos grasos obtenidos, destilarlos y esterificarlosluego a gusto.

Paraevitar la oxidación se podrían hidrogenar los ácidos grasosinsaturados.

Sehan hecho ensayos de «cracking» de los aceites como si setratara de petróleo , pero se obtiene una nube de moléculas nodeseables aparte de bajo rendimiento en hidrocarburos que haceinviable su separación.

Cualquierade estos procesos, consume una cantidad de energía «obscena»,en calefacción, refrigeración, agitación, filtración,evaporación, tratamiento de efluentes líquidos, gaseosos , sólidos,etc.

Hayque mencionar también que el Metanol se obtiene a partir del gasnatural por combustión parcial en presencia de agua (gasde síntesis) a alta temperatura y presión y con catalizadoresespeciales de cobre.

Químicamente,por poderse hacer se puede hacer lo que se quiera, otra cosa es elcoste prohibitivo energético de cualquier manipulación además dela cantidad de subproductos contaminantes.

Pero,si contemplamos el Biodiésel como carrier de energía para uso envehículos especiales, ambulancias, policía, tractores agrícolas,etc, se puede asumir la baja TRE actual de los biodiésel y sucoste.

Teniendoen cuenta que el consumo mundial de Petrodiésel en 2007 fué de1.157 MMTn y asumiendo un rendimiento medio de producción de Aceitesde 1 Tn/Ha para producir el Aceite necesario para transformarlo enBiodiésel consumido durante este año, harían falta unas 1200 MM Ha.

Aquíes donde se ve ya el absurdo de creer que se pueda mantener elconsumo actual de gasoil sustituyéndolo por biodiésel. Siconsideramos toda la energía consumida en el cultivo y recolecciónde las semillas junto con los abonos e insecticidas y herbicidas, yluego toda la energía consumida en el proceso de obtención de losFAME veremos que la tasa de retorno energético (TRE) como mucho esde 2 -3, muy por debajo de lo admisible como renovable de 10.

Superficiecultivable. El planeta se calcula que tiene unas 5.017MMHa de tierra cultivable, el 38,5% de la superficie terrestre, delos cuales los pastos se llevan la mayor parte, por lo que se calculaque queda para usos agrícolas menos de un tercio, 1.530 MMHasolamente, es decir, 0,22 hectáreas para cada uno de los 7.000millones de habitantes; y esta superficie está disminuyendo cada añopor el cambio climático y el incremento de la desertización y otrascausas.

Energíaprimaria. El consumo en 2006 fue de 11.500 Mtpe (millonesde toneladas de petróleo equivalente) con el 33% de petróleo; 21%gas natural; 26% carbón y lejos del 1% de energía solar y eólica.

Cereales.La producción mundial en 2006 fue de 1.995 Mt (millones detoneladas) de las que 598 fueron de trigo, 30%; de maíz 693, 35%; dearroz 420, 21%; y los restantes 284 Mt de mijo, sorgo y otros. Laalimentación humana consumió el 48%, los usos industriales el 29% yel 23% restante fue para alimentación animal.

Oleaginosas.La producción de estas semillas en 2006 fue de 390 Mt, siendo desoja 219, (56%); de colza 49, (13%); de semillas de algodón 42; degirasol 30 y los 50 Mt restantes de otras semillas menos conocidas.

Biocombustibles.Sumando los cereales y oleaginosas disponemos de 2.385 Mt de las quese calcula que podremos obtener el 20% de etanol o biodiésel, apenas500 Mt, es decir, un teórico 4% de la energía que actualmente seconsume. Y eso suponiendo que las personas no empleáramos el 48% enla alimentación, aparte de la alimentación animal y las necesidadesindustriales.

Perosi consideramos que de esta producción de grano -cereal uoleaginosas- la mitad está destinada al consumo humano, el restosólo llegaría para cubrir el 2% de las actuales necesidadesenergéticas mundiales.

La agricultura actual, está basada en altísimos consumos de energíafósil en sus distintas operaciones: preparación, arado, siembra,abonos, riego, insecticidas, cosechado, transporte, almacenaje y unlargo etcétera que ahora se quiere sustituir con losbiocombustibles.

Ademáseste modelo agrícola es deficitario en cuanto al rendimientoenergético, es decir, que para obtener una unidad de energía -unacaloría- se gastan más de 10 en las labores, transportes ymanipulaciones de esta agricultura forzada e industrial.

Laenergía de los combustibles se basa en la diferencia de energíapotencial del enlace, generalmente Carbono-Hidrógeno respectoa la energía potencial del enlace una vez oxidado ,CO2 y H2O . Poresto, para conseguir moléculas con alto potencial de enlace químico,hace falta aportar una cantidad de energía muy superior a ladiferencia de energías de enlace , o sea que todo lo que seamanipular enlaces químicos comporta un consumo de energía muyalto.

Otracosa es la sabia Naturaleza que mediante el CO2 de la atmósfera, elH2O de lluvia, y iones metálicos de los suelos y el maravillosocatalizador Clorofila de las plantas, mediante la energía de losfotones captados de la luz solar, es capaz de romper los enlacesO=C=O y H-O-H para formar cadenas hidrocarbonadas CH3-CH2-CH2-…. n, con grupos funcionales , ácido, éster, alcohol,cetona, aldehído, incorporación a la molécula de N, S, etc. y conestas piezas del mecano y con el resto de enzimas construir lacomplejidad de los seres vivos. La energía de los fotones solaresacumulada en estos enlaces es la que después se libera cuando seoxidan – combustión- y vuelven a la estabilidad química de loscomponentes de partida . Es el típico ejemplo de la montaña y elvalle, el enlace C-H está en la cima de la montaña, y una vezliberada su energía potencial en la oxidación, regresa al valledonde se encuentra más a gusto ( ley del mínimo energético)

Alfinal, la agricultura no es más que el resultado de la fotosíntesis-sol, agua y nutrientes- que cada año dan las cosechas. La colza, lasoja la palma,etc. hacen su función a su aire y por más quequeramos no podremos multiplicar ni acelerar su producción por unfactor de un millón pues, la energía fósil -petróleo, gas naturaly carbón- que suma el 80% de la energía mundial consumida tiene elmismo origen, pero es el resultado de la fotosíntesis producida yacumulada a lo largo de cientos de millones de años.

Encien años, hemos consumido lo que la naturaleza ha acumulado en 100millones, o sea cada año “gastamos” el capital energéticoacumulado durante ¡ 1 millón de años ! y ahora pretendemos que laNaturaleza se acelere 1 millón de veces, para continuar gastando lomismo en el BAU absurdo actual.

Cualquiercultivo tiene un rendimiento que está determinado por la naturalezay que podemos modificar pero aportando previamente los incrementosenergéticos que deseamos obtener y así, para obtener mejorescosechas será necesario un esfuerzo energético que hasta ahora hasido a costa de la «inagotable» energía fósil. Amenazadaesta energía que hasta ahora nos ha salvado,en su declive imparableuna vez pasado el Peak Oil, se pretende sustituirla por unosproductos agrícolas: cereales y semillas oleaginosas queprecisamente se están obteniendo con la energía fósil a la que sepretende sustituir; además de la degradación medioambiental queimplica todo este proceso, agotamiento de nutrientes, suelos y deagua, cerrando así el círculo de lo imposible.

Quizálo que deberíamos investigar es mejorar el diseño original del SrDiésel para usar aceites directamente en los motores, nosevitaríamos manipular químicamente el aceite, aunque el problemaenergético continuaría siendo el mismo. No podemos acelerar elproceso de fotosíntesis y el suelo disponible para el cultivo eslimitado e impensable para mantener el BAU actual.

Armand