bioetanol combustible tecnología y desarrollo sostenible
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IIQ – FI - UdelaR Tecnologías Emergentes en Energías Renovables - TEER 2018-07-13 1
Alternativas tecnológicas para la
producción de etanol combustible
Bioetanol Combustible Tecnología y Desarrollo Sostenible
Parte 1 - Introducción
Daniel Ferrari
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Presentar conceptos básicos relacionados con la
producción y uso de los biocombustibles, del
bioetanol en particular, dentro de un contexto de
economía basada en el uso de la biomasa.
Conocer los principales procesos y tecnologías
emergentes de producción de bioetanol y su
integración dentro de un concepto de biorrefinería.
Presentar los aspectos básicos del desarrollo
sostenible de su producción.
Objetivos
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Bioenergía: Energía derivada de la biomasa
La biomasa puede ser procesada en combustibles
sólidos, líquidos o gaseosos o convertida en otras
fuentes de energía como calor, potencia o electricidad.
Bioenergía
Biocombustibles
Bioelectricidad
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Fracción biodegradable de los productos, desechos, y
residuos de origen biológico procedentes de las
actividades agrarias (incluidas las sustancias de
origen vegetal y animal), de la silvicultura y de las
industrias conexas, incluidas la pesca y la
acuicultura, así como la fracción biodegradables de
residuos industriales y municipales. (*)
Materia prima de origen biológico excluyendo material
incrustado en formaciones geológicas o transformado
en material fosilizado. (**)
(*) Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo del 23 de abril de 2009.
(**) ISO 13065:2015. Sustainability criteria for bioenergy.
Biomasa
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Cultivos
destinados a
bioenergía
Azucarados: caña de azúcar, remolacha, sorgo
dulce, etc.
Amiláceos: maíz, trigo, sorgo grano, boniato, etc.
Lignocelulósicos: árboles, gramíneas, etc.
Oleaginosos: colza, soja, girasol, palma, etc.
Residuos
Industrialización de la madera: aserrín, licor negro,
descartes, etc.
Agrícolas: descartes, mazorcas, tallos, hojas,
excedentes de producción, etc.
Otros residuos industriales: bagazo, cáscaras, etc.
Animales: sebo, excrementos,
Residuos urbanos: basura, residuos de podas, etc.
Varios: aceites de fritura usados
Tipos de biomasa
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La producción de biomasa vegetal es básicamente el resultado del
proceso de fotosíntesis que depende de la energía solar, la
presencia de agua y de dióxido de carbono.
6H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6O2 Luz solar
BNDES - CGEE (2008). Bioetanol de caña de azúcar
Biomasa: energía del sol
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Combustible obtenido a partir de biomasa.
Biocombustible
Tipo Ejemplos típicos
Gaseoso Biogás (metano)
Biohidrógeno
Gas de pirólisis de madera (gasógeno)
Líquido Bioetanol
Bio etil ter butil éter (Bio ETBE) (*)
Biobutanol
Biodiesel (*)
Diesel “verde”
Sólido Leña
Chips, pellets (de madera)
Residuos agrícolas (cáscaras, bagazo, etc.)
Carbón vegetal
No son totalmente obtenidos de biomasa, en el caso del biodiesel solo si el metanol u etanol usado
es obtenido a partir de biomasa.
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Desventaja de la biomasa como fuente directa de bioenergía
Baja densidad de energía
Baja cantidad de energía por volumen, masa
o área.
Requiere un proceso para su concentración.
Poder calorífico de biomasa: 0,2 – 0,35 kep/kg
(dependiendo de su origen y humedad)
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Producto Poder calorífico inferior
(kcal/kg) (kep/kg)
Petróleo 10000 1
Gas natural 12000 1,20
Fuel oil 9400 0,98
Carbón vegetal 7500 0,75
Gasoil 10200 1,02
Biodiesel 9000 0,90
Gasolina 10500 1,05
Etanol 6400 0,64
Pellets de madera 4100 0,41
Leña 2700 0,27
Aserrín, residuos forestales 2610 0,26
Bagazo 2350 0,23
1 tonelada equivalente de petróleo (tep, toe inglés) = 10.000.000 kcal
1 kilogramo equivalente de petróleo (kep) = 10.000 kcal
Contenido energético de combustibles y biomasas
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Densidad de energía
2.000 a 3.500 kcal/kg
6.400 a 9.000 kcal/kg
BIOMASA BIOCOMBUSTIBLE
Densidad de energía
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Madera Pellets
Pellets
tratados por
torrefacción
Carbón
vegetal
Humedad
(%) 35 - 50 7 - 10 1 - 5 10 - 15
Poder calorífico
(MJ/kg) 9 - 12 16 - 18 19 - 23 23 - 28
Densidad
aparente (kg/m3) 200 650 700 820
Densidad de energía
IEA Bioenergy – Task 40 (2017).
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Uso de la biomasa: moderno vs tradicional
Uso (o tecnología) tradicional
Uso directo de la energía de la biomasa básicamente
para calefacción y preparación de alimentos de los
hogares.
Uso moderno
Uso de la biomasa destinado a generación de calor,
electricidad, vapor y producción de biocombustibles,
usando sistemas más eficientes y más limpios que los
tradicionales.
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PRODUCTOS
Combustibles gaseosos: biogás, gas de síntesis
Combustibles líquidos: bioetanol, biodiesel
Combustibles sólidos: carbón vegetal, chips
Electricidad
Calor
Alimentos: aceite, producción animal
Productos químicos: glicerina, sílice, bioplásticos
Forraje y fibras
TRANSFORMACIÓN
PROCESOS
FÍS
ICO
S
QU
ÍMIC
OS
BIO
ÓG
ICO
S
CO
MB
INA
DO
S
PRODUCCIÓN
DE BIOMASA
SIL
VIC
ULT
UR
A
AG
RIC
ULT
UR
A
PL
AN
TA
CIO
NE
S
RE
SID
UO
S
COMERCIALIZACIÓN
USO FINAL
Uso moderno Uso tradicional
ALMACENAMIENTO
PRETRATAMIENTO
TRANSPORTE
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Una biorrefinería es una planta que integra procesos de
conversión de biomasa, equipos y servicios para producir
combustibles, potencia, productos químicos, incluso alimentos,
a partir de biomasa.
El concepto de biorrefinería deriva por analogía con una refinería
de petróleo, que produce múltiples combustibles y productos
(solventes, asfaltos, lubricantes, derivados de la petroquímica).
Permite la integración con otras cadenas de valor que usan
materias primas agrícolas (alimentos, fibras, etc).
Principales diferencias con una refinería de petróleo: amplia
variabilidad en el composición de la biomasa en relación al
petróleo, mayor diversidad de procesos (químicos, físicos,
biológicos) aunque de menor complejidad.
El concepto de refinería implica que la generación de valor
depende de la comercialización de la canasta de productos.
Permite reducir la huella de carbono, menor uso de carbono.
Uso moderno de la biomasa: biorrefinería
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Plataforma Bioquímica
Plataforma Termoquímica
Calor y
Potencia
Combinados
Procesos Biomasa
Combustibles
Productos químicos
Materiales
Uso moderno de la biomasa: biorrefinería
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Petróleo Biomasa
Combustibles
Energía
Productos no energéticos
(Productos químicos, lubricantes, asfaltos, etc.)
Combustibles
Energía
Productos no energéticos
(Productos químicos, fibras, etc.)
Alimentos
Refinería Biorrefinería
Uso moderno de la biomasa: biorrefinería
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Comprende la parte de la economía que usa recursos
biológicos renovables, tales como cultivos agrícolas,
bosques, animales o microorganismos, residuos
biológicos, para producir alimentos, materiales y
energía.
Incluye la producción primaria (agricultura,
forestación, acuicultura, etc.).
Concepto para un desarrollo sostenible
Estrategia para la generación de trabajo,
particularmente en zonas rurales y oportunidades de
negocio.
Biorrefinería y bioeconomía
Biorrefinería
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IEA Bioenergy – Task 42 Biorefinery (2014).
Biorrefinería y economía circular
Bioeconomía circular
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RENOVABILIDAD SOSTENIBILIDAD
Atributo de la fuente Atributo del uso
Una fuente puede ser renovable pero no sostenible
Renovable vs sostenible
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La porción no sostenible de la biomasa está básicamente
compuesta por la leña que proviene de la deforestación.
La biomasa sostenible incluye cultivos especialmente
desarrollados para bioenergía, residuos animales,
vegetales, urbanos, además de la leña obtenida de forma
sostenible.
La forma sostenible del consumo de leña puede darse por
medio de:
recolección de ramas secas, en ocasiones como
resultado de procesos de poda
tala de árboles a una tasa inferior a la de regeneración
natural
tala de árboles seguida por la replantación de las
especies cortadas.
Renovable vs sostenible
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Fuente de energía
No renovable Renovable
Tecnología
Tradicional Moderna
Uso Uso
Sostenible No sostenible Sostenible No sostenible
Renovable vs sostenible
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Agrocombustible
Combustible líquido renovable de origen
agropecuario o agroindustrial, que comprende entre
otros, al alcohol carburante y al biodiesel.
Alcohol carburante
Alcohol etílico carburante producido para ser utilizado
en motores de combustión. Comprende al alcohol
etílico anhidro carburante y al alcohol etílico
hidratado carburante.
Definiciones según Ley 18195 de Agrocombustibles (2007)
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¿Qué es el bioetanol?
Etanol o alcohol etílico producido a partir de biomasa
rica en carbohidratos.
El bioetanol tradicionalmente se produce por
fermentación, pero puede obtenerse por procesos
térmicos.
Se denomina bioetanol para diferenciarlo de aquél
producido por síntesis a partir de hidrocarburos.
El etanol es un compuesto químico que corresponde
a las fórmula química CH3-CH2OH y la fórmula
molecular C2H5OH.
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Bioetanol producido para su uso como combustible en general,
pero la mayor aplicación es en motores de combustión interna.
Etanol carburante o alcohol etílico carburante (AEC).
Se diferencia del etanol producido para otros fines: potable,
farmacéutico, perfumería, solvente, substrato de reacción
química, etc.
Tiene requisitos específicos de calidad. En Uruguay:
UNIT 1122:2009. Alcohol etílico anhidro combustible (AEAC).
Requisitos.
UNIT 1124:2010. Alcohol etílico hidratado combustible (AEHC).
Requisitos.
Requisitos específicos de producción.
Criterios de desarrollo sostenible para bioenergía.
¿Qué es bioetanol combustible?
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Ley de Agrocombustibles N° 18195 del 14/11/2007 (Reglamentada
por Decreto 523/008)
Objeto principal: fomento y regulación de la producción,
comercialización y utilización de agrocombustibles nacionales
(básicamente etanol y biodiesel)
Otros objetivos: reducir gases de emisiones de gases efecto
invernadero, fomento de inversiones, desarrollo de tecnología
asociada al uso de insumos y equipos de origen nacional,
fortalecimiento de capacidades productivas, participación de
PyMES de origen agrícola o industrial, generación de empleo
especialmente en el interior, fomento del equilibrio entre
producción y cuidado del medio ambiente y la seguridad del
suministro energético.
Incorporación de etanol en gasolinas producido en el país con
materias primas nacionales:
Hasta 5% hasta el 2014-12-31
Mínimo 5% a partir de 2015.
Marco legal de promoción de agrocombustibles
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Uso %
(en volumen) Observaciones
Aditivo
antidetonante < 5%
Razones ambientales
Sustitución del tetraetilo de plomo u
otros aditivos
Reducción del contenido de
aromáticos
Componente
oxigenado 5 a 8%
Reducción de emisiones
Compite con otros oxigenados
Sustitución
de gasolina
5 – 100%
(E5 – E100)
Obligatorio o voluntario según país
Niveles variables según país
Sustitución según tipo de vehículo
(Ejemplo: flex fuel vehicle, FFV)
Uso del etanol en gasolinas
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Propiedad Unidad Especificación (límites)
Mínimo Máximo
Grado alcohólico a 20°C % (v/v) 99,6
Densidad absoluta a 20°C kg/m3 -- 791,5
Contenido de etanol % (v/v) 99,2 --
Contenido de metanol % (v/v) -- 0,4
Contenido de agua % (v/v) -- 0,4
pH - 6,5 9,0
Acidez total (como ácido acético) mg/L -- 30
Conductividad eléctrica a 25°C µS/m -- 500
Contenido de cobre mg/kg -- 0,07
Contenido de ion cloruro inorgánico mg/kg -- 10
Aspecto Límpido y exento de material en
suspensión o precipitado
Color Incoloro Fuente: Norma UNIT 1122:2009.
Especificación técnica de etanol combustible anhidro (UNIT)
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Parámetro Unidad Gasolina Etanol
Poder calorífico inferior (LHV) MJ/kg 43,5 26,8
MJ/L 32,1 21,2
Densidad a 20°C kg/m3 0,72 – 0,78 0,789
RON - 90 – 100 102 – 130
MON - 80 – 92 89 - 96
Calor latente de vaporización kJ/kg 330 - 400 842 – 930
Relación estequiométrica aire -
combustible En peso 14,5 9,0
Presión de vapor kPa 40 – 65 15 – 17
Temperatura de ignición °C 220 420
Solubilidad en agua % en
volumen 0 100
Propiedades del etanol y de la gasolina
BNDES - CGEE (2008). Bioetanol de caña de azúca.r
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Aumenta el octanaje, es posible usar una gasolina base de menor octanaje para las
mezclas.
La adición a la gasolina aumenta la presión de vapor: aumenta las emisiones
evaporativas.
El etanol tiene mayor calor de vaporización, posible problemas de funcionamiento en
épocas o climas fríos.
Menor densidad energética del etanol puede ser compensada por mayor eficiencia de
combustión.
Riesgo de separación de fases: aumenta en mezclas de bajo nivel de gasolina y a bajas
temperaturas. Acciones: especificación de etanol anhidro: máximo contenido de agua,
mínimo contenido de etanol, manejo seco, mezcla en línea en terminales de
distribución.
Riesgo de incompatibilidad del etanol con materiales plásticos: importante en vehículos
anteriores a 1980, corregido en motores e instalaciones actuales.
El etanol es más corrosivo para metales, básicamente asociado al agua. Acciones.
Instalaciones y equipos con recubrimiento protectores, especificación del etanol
limitando acidez, conductividad, pH e iones (cloruro, cobre, sulfato, hierro).
Reduce las emisiones de CO, SOx e hidrocarburos pero aumenta las de aldehídos.
Etanol como sustituto del etanol en vehículos
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Porcentaje de mezcla de etanol en
gasolina (% en volumen)
Aumento del consumo (%)
Hasta 10% Despreciable
25% 3 - 5
100% 25 - 30
Rendimiento del etanol en vehículos (Brasil)
Fuente: Bioetanol de caña de azúcar: energía para el desarrollo sostenible / coordinación BNDES y CGEE. – Rio de
Janeiro : BNDES, 2008.
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Uso de eucalipto en un concepto de producción de pulpa
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Pretratamiento
Xilooligómeros
Hidrólisis
enzimática Fermentación
Etanol
Xilitol
Ácido láctico
Furfural
Xilosa
Polímeros (films)
Probióticos
Enzimas
Etanol
Lignina
Fenoles Aromáticos Potencia Calor/vapor
Switchgrass Destilación
Estrategia usada para el etanol de switchgrass
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• 28% del consumo total final de energía mundial (2014).
• 28% del consumo total final de energía en el Uruguay (BEN 2016).
Alta participación en el consumo total final de energía
• 25% de las emisiones de CO2 totales mundiales (2014).
• 51% de las emisiones de CO2 totales de Uruguay (INGEI 2014).
Alta contribución en la emisión total de gases de efecto invernadero (GEI)
• 94% del consumo total final mundial proviene del petróleo (2014).
• 94% del consumo total final en el Uruguay proviene del petróleo (BEN 2016).
Alta dependencia del petróleo y baja diversificación de fuente de energía
• 4% del consumo total final mundial son biocombustibles (2016).
• 6% del consumo total final en el Uruguay son biocombustibles (BEN 2016).
Mayor dificultad que otros sectores para incorporar fuentes renovables de energía
Características globales del sector transporte: grandes números
BEN – Balance Energético Nacional – DNE – MIEM.
INGEI – Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero – DINAMA - MVOTMA
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Flujo de comercio internacional de petróleo (2017)
BP Energy Outlook (2018).
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Flujo de comercio internacional del etanol combustible (2015)
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Flujo de comercio internacional de pellets (2015)
IEA Bioenergy – Task 40 (2017).
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BP Energy Outlook (2018).
Demanda de energía primaria
IIQ – FI - UdelaR Tecnologías Emergentes en Energías Renovables - TEER 2018-07-13 39
Consumo de energía en transporte por tipo de combustible
BP Energy Outlook (2018).
IIQ – FI - UdelaR Tecnologías Emergentes en Energías Renovables - TEER 2018-07-13 40
RFA's Ethanol Industry Outlook 2018
Producción mundial de etanol combustible por país (2017)
IIQ – FI - UdelaR Tecnologías Emergentes en Energías Renovables - TEER 2018-07-13 41
Desarrollo del mercado mundial del etanol
0
20
40
60
80
100
120
140
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025
bln L
World ethanol production World ethanol tradeMillones de
metros cúbicos
OECD – FAO (20164). Agricultural Outlook 2016-2025
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0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
kte
p
Elaborado a partir de datos del BEN 2016 - DNE – MIEM
Consumo final nacional de etanol en el transporte (ktep)
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Año
Consumo
final de
etanol
(m3)
Consumo
final total
de etanol
(ktep)
Consumo final
total de
gasolinas
(ktep)
Nivel de
sustitución
(% de
energía)
Nivel de
sustitución
(% en
volumen)
2010 1.800 0,9 391.0 0,2 0,4
2011 14.800 7,5 445,0 1,7 2,6
2012 24.900 12,6 490,0 2,6 4,0
2013 31.200 15,8 526,5 3,0 4,7
2014 34.700 17,6 561,0 3,1 4,9
2015 61.100 31,0 598.9 5,2 8,1
2016 78.700 39,9 631,7 6,3 9,8
Consumo final nacional de etanol combustible en el transporte
Elaborado a partir de datos del BEN 2016 - DNE – MIEM
El consumo final de gasolinas incluye el etanol mezclado.