Biocombustible Energia Del Futuro

Ingeniería en Logística y Transporte.

Química Unidad 2 Estructura de la materia.

Evidencia de aprendizaje. Información, selección y planteamiento del Proyecto de investigación: Cuidando el medio ambiente.

José Francisco Estrella Varguez.

Titulo.

Biocombustible, energía para el futuro.

I. Objetivo.

El objetivo es conocer e identificar las diferentes alternativas energéticas, así como la variedad de biocombustibles y sus características para aprovechar y dar un mejor uso de ellas.

II. Justificación.

El alto costo del petróleo, la tendencia a que siga aumentando o manteniéndose en niveles elevados y la disminución de las reservas han afectado la seguridad energética mundial. Los países no productores de petróleo se han visto forzados a astar una parte significativa de sus presupuestos en la importación de combustibles de origen fósil. Esto, sumado a la creciente preocupación por el calentamiento global, causado en gran medida por la liberación de gases provenientes de la quema de combustibles fósiles, ha despertado un gran interés en la utilización de fuentes de energía renovables.

Para la ingeniería en logística y transporte es muy importante conocer las ventajas y desventajas de utilizar biocombustible en los diferentes medios de transporte ya que la energía es sinónimo de éxito en los medios de transporte, siempre buscado los bajos costos cuidando a la vez el medio ambiente.

III. MARCO TEORICO CONCEPTUAL.

En esta sección se presentan y desarrollan los principales conceptos relacionados con el tema de biocombustibles.

1. “Biocombustibles.- combustible producido directa o indirectamente con biomasa, como la leña, el carbón(sic), bioetanol, biodiesel, biogas (metano) o biohidrógeno.

2. Bioenergía.- Es la energía que se obtiene de la biomasa, misma que se presenta en una gran variedad de formas. Puede obtenerse a partir de los biocombustibles sólidos como la leña, el carbón vegetal o los residuos agrícolas que pueden quemarse directamente o gasificarse para producir calor y electricidad-, los cultivos energéticos – como la caña de azúcar y plantas oleaginosas de las que se extraen combustibles líquidos como el bioetanol y el biodiesel-, los residuos municipales y el estiércol-, de lo que pueden obtenerse combustibles gaseosos como el biogas. La bioenergía puede ser también una fuente de hidrógeno para producir energía.

3. Biodiesel.- biocombustible para uso en motores diesel producido mediante la transesterificaicón de petróleos o grasas derivados orgánicamente combinados con el alcohol (etanol o metanol) en presencia de un catalizador. Se puede utilizar como componente o reemplazo del combustible diesel.

4. Bioetanol.- Estanol producido de la biomasa. También se conoce como bioalcohol etílico. La fermentación de los carbohidratos para producir bioetanol es efectuada por levaduras microscópicas en sistemas en lote o continuos, seguida por la destilación para separar y obtener bioetanol. El bioetanol tiene tres aplicaciones principales, en la industria como disolvente y materia prima para la producción de otros productos, en la elaboración de bebidas, y en forma creciente, como combustible o aditivo en las gasolinas, para todo tipo de transporte y también para instalaciones estacionarias.

5. Biogás.- Es una mezcla de gases constituida principalmente por metano y bióxido de carbono en una producción de 55 a 60% y de 35 a 40% respectivamente, y cantidades traza de otros gases como ácido sulfhídrico, nitrógeno, oxígeno y vapor de agua, entre otros. Es el producto de la conversión biológica de la biomasa como resultado de la descomposición bacteriana de la materia orgánica en la ausencia del aire realizada en un digestor anaerobio.

6. Biomasa.- Es la masa total de la materia viva de una parte de un organismo, población o ecosistema. Por lo general se da en términos de materia seca por unidad de área. En algunas regiones del Amazonas puede haber una biomasa de plantas de 1, 100 toneladas por hectárea de tierra. En términos energéticos, se utiliza como energía renovable, como es el caso de la leña, el biodiesel, el bioalcohol, del biogas y del bloque sólido combustible. La biomasa se puede producir o se puede obtener a partir de subproductos o residuos.

7. Cultivos energéticos.-cultivos de plantas en crecimiento rápido destinadas únicamente a la obtención de energía o como materia prima para la obtención de otras sustancias combustibles. Se trata de una alternativa energética muy reciente, centrada principalmente en el estudio e investigación del aumento de su rentabilidad energética y económica. El desarrollo de estos cultivos energéticos suele ir acompañado del desarrollo paralelo de la correspondiente industria de transformación de la biomasa en biocombustible.

8. Energía renovable.- Se llama energía renovable a la que, administrada en forma adecuada, puede explotarse ilimitadamente ya que su cantidad disponible no disminuye a medida que ésta se aprovecha.

9. Gasohol.- Mezcla, en proporciones variables (10-90%) de gasolina y el resto alcohol etílico anhidro.

10. Recursos agroenergéticos.- son los cultivos energéticos, es decir, las plantas cultivadas ex profeso para obtener energía, como la caña de azúcar, la remolacha, el sorgo dulce, el maíz, la palma de aceite, la colza y otras oleaginosas, así como diversos plastos”.

“El biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa organismos recientemente vivos o sus desechos metabólicos, tales como el estiércol de la vaca. Los combustibles de origen biológico pueden sustituir parte del consumo en combustibles fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón. Los biocombustibles más usados y desarrollados son el bioetanol y el biodiésel.”

Se entiende por biocombustible a aquellos combustibles que se obtienen de biomasa, es decir, de organismos recientemente vivos (como plantas) o sus desechos metabólicos (como estiércol).”

11. “Bioenergía.- Es el término genérico dado a la energía derivada de materiales biológicos. Cubre un amplio espectro de fuentes vegetales, incluyendo aquellas que se emplean directamente para combustible y las que se procesan en forma de biocombustibles. También pueden emplearse para incorporar residuos biológicos animales y humanos pero, aunque siguen siendo fuentes locales importantes de energía en muchas partes del mundo, Los bioenergéticos (etanol, biodiésel y biogás) son combustibles obtenidos de la biomasa proveniente de materia orgánica de actividades agrícola, pecuaria, silvícola, acuacultura, algacultura, residuos de la pesca, domésticos, comerciales, industriales, de microorganismos y de enzimas, así como sus derivados, producidos por procesos tecnológicos sustentables que cumplan con las especificaciones y normas de calidad establecidas por las autoridades competentes”.

Los combustibles de origen biológico pueden sustituir parte del consumo en combustibles fósiles tradicionales, como el petróleo o el carbón.

12. El bioetanol, también llamado etanol de biomasa, se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar, remolacha o de algunos cereales como trigo o cebada. En 2006, Estados Unidos fue el principal productor de bioetanol (36% de la producción mundial), Brasil representa el 33,3%, China el 7,5%, la India el 3,7%, Francia el 1,9% y Alemania el 1,5%. La producción total de 2006 alcanzó 55 mil millones de litros.

13. El biodiésel, se fabrica a partir de aceites vegetales, que pueden ser ya usados o sin usar. En este último caso se suele usar raps, canola, soja o jatrofa, los cuales son cultivados para este propósito. El principal productor de biodiésel en el mundo es Alemania, que concentra el 63% de la producción. Le sigue Francia con el 17%, Estados Unidos con el 10%, Italia con el 7% y Austria con el 3%.

Otras alternativas como son el Biopropanol y Biobutanol son menos populares, pero no pierde importancia la investigación en estas áreas debido al alto precio de los combustibles fósiles y su eventual término”.

IV. Diseño conceptual de Desarrollo del proyecto.

La producción de aceite de microalgas consta básicamente de tres partes: el cultivo de microalgas, la recuperación de éstas y la posterior extracción del aceite.

A grandes rasgos existen dos tipos de sistemas de cultivo de microalgas, cada uno con sus ventajas y desventajas: el cultivo en lagunas y el cultivo en fotobiorreactores. Las lagunas consisten en

grandes piscinas de forma ovalada, parecidas a una pista de carrearas de baja profundidad (se les conoce en inglés como “Raceway Pond System”). El cultivo en lagunas permite el crecimiento de microalgas a gran escala y a un costo relativamente bajo.

El cultivo en fotobiorreactores se lleva a cabo en estanques cilíndricos alargados, de manera de mantener la mayor superficie posible en contacto con la luz solar. Este sistema ofrece mayor concentración de biomasa y mayor eficiencia en la conversión de energía solar, pero suele implicar una inversión más elevada que el cultivo en lagunas.

Cualquiera que sea el modo de cultivo de microalgas, son necesarios como insumos CO2, luz solar y agua, la que puede ser salada o dulce dependiendo de la especie que se esté cultivando; agua de mar suele ser suficiente para los requerimientos de la producción. Los factores que afectan el crecimiento de

las algas son la temperatura (el óptimo está entre los 20 y 30 °C, bajas temperaturas afectan negativamente), el pH y la salinidad del agua.

El CO2 debe ser suministrado externamente. Por esta razón, la producción de biodiesel a partir de algas es un proceso posible de integrar con la generación de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles. El CO2 que se produce en la combustión de carbón o petróleo en las plantas generadoras es ingresado al cultivo como fuente de carbono para las algas.

Otros nutrientes como nitrógeno o fósforo deben ser suministrados también externamente. Se ha observado que bajo condiciones de estrés por escasez de nitrógeno el rendimiento en aceite aumenta considerablemente; no obstante, el estrés que esto supone afecta negativamente al crecimiento de la biomasa, y finalmente se produce una menor cantidad de aceite por unidad de tiempo, por lo que debe suministrarse de todas maneras.

Posterior al cultivo de las algas, éstas se deben extraer del cultivo. Para esta etapa existente varias alternativas, las que serán discutidas posteriormente. Finalmente se debe separar el aceite del resto de la biomasa y el agua.

1. Selección de las etapas de procesamiento.

1.1 Captación del agua.

La captación del agua de mar se puede realizar mediante pozos en sectores costeros, o directamente mediante bombeo desde mar adentro. La captación mediante pozos otorga la ventaja de proveer un filtro de arena natural, evitando la incorporación al sistema de elementos extraños como macroalgas, moluscos peces o rocas, por lo cual se considerará esta alternativa para este trabajo.

1.2 Cultivo mediante Lagunas.

El diseño de lagunas para el cultivo masivo de algas se encuentra estandarizado en general, al haber sido utilizado por cerca de 40 años para el cultivo de microalgas para producir nutracéuticos. Las principales especificaciones de diseño y características constructivas ya han sido definidas, quedando poco espacio para la innovación. Un esquema de una laguna típica se muestra en la Figura.

Esquema de un diseño típico de laguna para la producción de microalga. Cada carril suele tener 6 o 7 metros de

ancho, pero el largo puede variar considerablemente para alcanzar áreas de irradiación solar de 1000 o incluso 10000 m2

(Sazdanoff, 2006).

1.2.1 Dimensionamiento.

La profundidad de las lagunas debe ser lo suficientemente baja como para que la luz solar pueda penetrar incluso en las partes más profundas de ésta; por otra parte, mientras más bajas sean las lagunas, una mayor área es necesaria para mantener un mismo volumen de cultivo, y por lo tanto mayor es el requerimiento energético por unidad de volumen para hacer circular el fluido producto del efecto del roce del agua con la superficie de la laguna. Por lo general se diseñan lagunas con una profundidad de entre 20 y 30 cms (ver, p.e., Andersen, 2005).

El ancho y el largo pueden variar, aunque un ancho de carril de 6 metros es común, y el largo puede variar sin problemas para alcanzar el área total irradiada por reactor deseada.

1.2.2 Construcción de las lagunas.

Su construcción suele ser en cemento, pudiendo llevar un revestimiento plástico para evitar corrosión, facilitar el mantenimiento y mejorar las condiciones de flujo del cultivo. El tamaño de las lagunas depende de la etapa en el escalamiento en la que se esté. Éstas pasan de medir unos pocos metros de largo a varias decenas de metros de largo en las últimas etapas del cultivo. También es posible construirlas directamente en el terreno, en tal caso es necesario contar con un recubrimiento para mantener la estructura de la laguna.

1.3 Agitación.

Las lagunas cuentan con un agitador de paletas que mantiene el cultivo en permanente circulación, a fin de evitar el estancamiento de las microalgas en el fondo de la laguna y permitir la creación de los ciclos de luz y sombra necesarios para obtener que las algas crezcan de la mejor manera posible. Los cultivos están agitados por paletas rotatorias que cruzan el canal de las lagunas en una sola sección, perpendiculares al sentido del flujo, y e deben instalar de tal manera de que siempre quede al menos una paleta en el agua. En pruebas de campo, se ha ostrado que una sola rueda de paletas giratorias es suficiente para brindar una agitación adecuada (Andersen, 2005), si se mantiene una velocidad de flujo de entre 15 a 25 cm/s. Aun así, dada la gran cantidad de lagunas necesarias para alcanzar una producción a gran escala del aceite de algas, este proceso es intensivo en el uso de energía. Entrada de CO2 El CO2 es ingresado a la laguna a través de pozos, en los que se da el intercambio gaseoso. La eficiencia de absorción de CO2 en este tipo de reactores es alta, cercana al 90%(Sheehan et al., 1998).

1.4 Fotobiorreactorres.

A diferencia de las lagunas, los fotobiorreactores representan una tecnología relativamente nueva, por lo que existen varios aspectos cuya determinación no es trivial. Los hay de variadas formas, tamaños y materiales de construcción. Para el presente trabajo, se contempla el diseño de fotobiorreactores tubulares, dispuestos en forma horizontal.

Los fotobiorreactores deben ser instalados de tal manera que se maximice la exposición de las algas a la luz solar. Un diseño adecuado consiste en instalar arreglos de tubos horizontales transparentes en paralelo, orientados de norte a sur. Para mejorar la entrada de la luz al fotobiorreactor, es conveniente que la superficie debajo de los tubos sea pintada de color blanco si ésta no logra reflejar la luz de buena manera por defecto. También se debe suministrar un nivel de agitación suficiente para que las microalgas no se depositen en las paredes del reactor y tengan una exposición uniforme a la luz solar.

Distintos tipos de fotobiorreactores. Izquierda, arriba: diseño experimental de la empresa holandesa Bioking

(Fuente: www.bioking.nl). Izquierda, abajo: diseño comercial de la empresa Bioking. Derecha: diseño experimental de

Greenfuel Technology (Fuente: www.greenfuelonline.com)

1.4.1 Dimensionamiento.

Producto de la actividad fotosintética de las algas, se produce oxígeno. El oxígeno, en combinación con altos niveles de radiación solar, puede causar daño fotooxidativo al cultivo, razón por la cual debe ser eliminado de los fotobiorreactores. El largo del reactor está limitado por la concentración de oxígeno al interior del reactor, pues concentraciones de oxígeno mayores al 300% del nivel de saturación generan daño fotooxidativo en las microalgas (ver Figura 3.3). A su vez, la concentración de oxígeno es función de la velocidad del líquido al interior del reactor, la cual no puede ser superior a 0,5 [ms-1] si se desea evitar el daño celular y no puede ser menor que 0,35 [ms-1], pues de lo contrario el cultivo colapsa (Molina Grima et al, 2001). Como el gas no puede ser eliminado directamente desde el fotobiorreactor, una solución a este problema consiste en la instalación de desaireadores, en los cuales el exceso de oxígeno acumulado es eliminado al ambiente.

El diámetro de los tubos debe ser tal que permita una apropiada irradiación solar al interior del reactor, pero que mantenga una zona menos iluminada en la que las algas realicen las reacciones oscuras de su metabolismo y restablezcan la actividad de sus fotosistemas II.

Un diámetro de reactor más grande permite disminuir la inversión en fotobiorreactores, pues el volumen del reactor depende del cuadrado del diámetro y su superficie es proporcional al diámetro. Por otra parte, el aumento del diámetro del FBR conlleva problemas biológicos y/o técnicos, como la pérdida de productividad por la alteración de los ciclos óptimos de luz-sombra, o en su defecto el aumento de la potencia de agitación necesario para mantener éstos ciclos y una posible pérdida de productividad por el

stress producido por esto mismo.

1.4.2 Construcción de fotoborreactores.

Los fotobiorreactores pueden ser construidos de varios materiales, entre ellos vidrio, acrílico rígido, o polietilieno de baja densidad, siendo en este último caso mangas.

En el caso de los reactores rígidos (acrílico y vidrio), éstos tienen una vida útil más larga que las mangas de polietileno, pero se hace necesario la instalación de una estructura metálica que soporte los tubos, ya sea que estén apilados o dispuestos puramente de manera horizontal.

Las mangas de polietileno son flexibles, y por lo tanto es posible disponerlas directamente sobre el suelo, aún cuando este no sea plano, ahorrando de esta manera los costos en soportes metálicos. Otra de las ventajas del polietileno está en su bajo costo. Como en este caso la minimización del área de terreno a utilizar no es un factor económicamente importante, es posible disponer las mangas de manera horizontal sobre el suelo, Las desventajas radican principalmente en su corta vida útil, siendo necesario reemplazar las mangas tras no más de 3 años de uso debido al opacamiento del plástico por la luz solar. Otra de sus ventajas consiste en que el uso de polietileno como material de construcción entrega una tasa neta de energía mayor que la del vidrio y el acrílico (Burguessa, 2007).

Privilegiando los bajos costos de construcción, se ha escogido para el presente proyecto la construcción en mangas de polietileno de baja densidad. El uso de mangas de polietileno ha sido estudiado para el cultivo de Haeomatococcus pluvialis y Chlamydomonas reinhardtii, para la producción de astaxantina (Olaizola, 2000) y gas hidrógeno (Burguessa, 2007) respectivamente, y un ejemplo de este sistema es posible de apreciar en la siguiente Figura.

Ejemplo de un sistema de producción de microalgas mediante tubos de polietileno (Fuente: Zittelli, 1999).

1.5 Agitación.

La agitación de estos sistemas está dada por las bombas que permiten la circulación del cultivo.

Finalmente, el diseño de la etapa de crecimiento de cultivo queda como se muestra en la figura.

Dos esquemas posibles para el cultivo mediante fotobiorreactores, que cuentan con un soplador de CO2 a la entrada de los fotobiorreactores, un conjunto de reactores puestos en paralelo, un desaireador en el que el O2 es liberado al

ambiente, y una bomba que mantiene el cultivo en circulación. Arriba: El cultivo está en permanente reciclo. Se requiere un sistema de cañerías adicional para transportar el cultivo desde los fotobiorreactores a los decantadores. Abajo: El reingreso del cultivo puede no ser a los mismos fotobiorreactores; en tal caso, se tiene que la unidad reactor-desaireador-bomba se repite para formar una cadena de reactores puestos en serie, y los mismos fotobiorreactores sirven de cañerías para transportar el cultivo a los clarificadore. (Fuente: elaboración propia)

2. Cronograma de actividades.

2.1 Concentración de la biomasa.

La concentración de las microalgas es una de las etapas claves para la viabilidad del proceso, pues los cultivos de microalgas son muy diluidos, del orden de 0,5 – 1 g/l, lo que dificulta mucho la recuperación de la biomasa. Diversos procesos de recolección existen, pasando desde procesos completamente mecánicos como la centrifugación a otros netamente biológicos como la biofloculación, además de flotación por surfactantes o floculación con polielectrolitos artificiales o naturales como el quitosano. El éxito de esta etapa depende de varios factores, entre ellos el tipo de alga, el proceso productivo, la presencia de otras algas, la velocidad de producción, etc. No existe un solo método genérico aplicable a todos los tipos de cultivo, sin embargo es posible afirmar que los procesos tradicionales como la centrifugación o la floculación química son recomendables si el producto que se generará es de un alto valor comercial, o si hay etapas previas de concentración.

Para el presente estudio se diseño un proceso de concentración de dos etapas, donde la salida del cultivo pasa a un clarificador, y la descarga de lodos de éste pasa a una etapa de espesamiento para alcanzar una concentración aún mayor. El rebalse de ambos equipos será reciclado a los reactores de manera de requerir extraer del mar la menor cantidad de agua posible.

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