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El Rol del Bioetanol Base Celulósicos en la Bioenergía:
Los retos del futuro
Dra. Elizabeth Mar JuárezM. I. Florentino Murrieta
M. en P. Lina TaveraDr. Luis Miguel Rodriguez Otal
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Contenido
• Elementos de Mercado de los Biocombustibles• ¿Por qué el Bioetanol?• Estado del Arte• Proyecciones• Áreas potenciales de desarrollo• Producción potencial de Etanol en México• A parte del Etanol…• Grupo de Biocombustibles-IMP
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Biocombustibles en el mercado actual
El alto costo del petróleo y la necesidad de alternativas más baratasLa demanda mundial de petróleo se incrementará en un 50% en el 2025, principalmente debido a las economías de rápido crecimiento en AsiaVarios de los principales exportadores de petróleo se encuentran en una situación inestableEl Cambio Climático y la necesidad mundial de reducir las emisiones de carbonoLa necesidad de crear políticas de inclusión para el campo y reducir programas de apoyo para los agricultoresA diferencia del petróleo, la mayoría de los países pueden producir bioenergía
Elementos del mercado de combustibles…..(1)
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La sustitución de importaciones de combustibles fósiles, para aumentar los niveles de seguridad nacional en cuestiones de economía y suministro.
Oil gap
(Importaciones)
El “hueco” entre la producción y la demanda continuara aumentando en todo el mundo. El incremento de la dependencia hacia ciertas regiones del mundo se presenta como un riesgo para la seguridad energética
Demanda
Tiempo
ProducciónNacional
Prod
ucci
ón A
nual Escenarios
Seguridad Energética
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La Bioenergía hoy…
MuchosLeña, cosechas y residuos de cosechas
Carbón, gas y keroseno
Electricidad(Local para cocción y calefacción)
Biomasa
Unión Europea, en especial Alemania y Francia
OleaginosasDieselTransporteBiodiesel
Brasil y Estados Unidos
Caña de azúcar y Maíz
GasolinaTransporteEtanol
Principales Usuarios
MateriasPrimas
Reemplaza/Complementa
UsoTipo
Elementos del mercado de combustibles…..(2)
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La Bioenergía hoy…
• La Bioenergía participa con el 14% del total mundial:– En el balance de energía esta representa un 33% en promedio
para los países en desarrollo (70% en África),– Sólo entre un 2-3% en los países desarrollados.
• Los biocombustibles para su uso en el transporte sigue siendo reducido; 40% del transporte en Brasil, pero sólo entre un 3-5% en Estados Unidos y la UE
• Brasil y Estados Unidos producen 90% de etanol del mundo mientras que la UE produce 88% de biodiesel del mundo.
• El biodiesel tan sólo representa una décima parte de lo que se produce de etanol
Elementos del mercado de combustibles…..(3)
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Proyecciones• Para el 2010 la UE planea duplicar la participación de
las energías renovables en su consumo de energía primaria a un 12%. – La participación de los biocombustibles en el sector transporte
representará hasta un 5,75%
• Estados Unidos planea también ampliar su cuota de participación de renovables al doble con respecto a su participación actual que es del 2% (2020)
• Brasil tiene previsto aumentar su participación de 37% a 58%
• China y la India han puesto en marcha nuevas industrias de bioenergía
Elementos del mercado de combustibles…..(4)
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¿Los biocombustibles son una opción económicamente viable?
Sólo si el precio del petróleo se ubica de manera sostenida alrededor de $70-75/barril
• Etanol base caña de azúcar es viable a un precio de petróleo de $30-35 /barril (Brasil)
• Etanol base maíz es viable a $55 (Estados Unidos)
• Biodiesel base oleaginosas es viable a un precio de petróleo de $80 (Unión Europea)
Elementos del mercado de combustibles…..(5)
Fuente:AIE, 2004
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¿Porqué el Bioetanol?
511Francia
227Italia
1,920Alemania
300India
950UE
2,000China
16,500Brasil
29016,230Estados Unidos
BiodieselEtanolPaís
Etanol
Gasolina
AutosPrincipales productores de biocombustibles en el 2005
(millones de litros)
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Bioetanol
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Producción de EtanolEstado del Arte… (2)
Presente
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Producción de Bioetanol
Estado del Arte… (3)
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Producción de Bioetanol
+5%
Estado del Arte… (4)
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Producción de Etanol
Futuro
Estado del Arte… (5)
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www.imp.mxFuente: Iyer, Rao & Grover (2002); DOE (2005)
351.0018.5029.0033.60Bagazo de caña
392.3317.2017.8544.06Cascarrilla de arroz
319.9631.2813.9436.55Cáscara y
paja de cacahuate
359.0016.9724.0739.63Paja de trigo
346.0012.0620.3641.36Paja de arroz
Rendimientos teóricos de
etanol(l/ton)
Lignina(% ton/ton)
Hemicelulosa(% ton/ton)
Celulosa(%ton/ton
Agro-residuo
Producción Potencial de Etanol para Diferentes Agro-Residuos
Estado del Arte… (6)
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Biomasa Pre-tratamiento Hidrólisis Fermentación
Purificación
Cogeneración
Etanol
AguaResidual
SólidosResidual
Electricidad
Vapor
Pretratamiento 1
Fase 1
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www.imp.mxP>psat
De 5 a 10 años
―>9088 – 98%45 seg –4 min
190 – 230 ºCNingunoAgua líquida caliente
De 2 a 5 años
―88 (2 pasos)160 – 220ºCÁcidoExplosión de vapor
catalizadacon ácido (f)
De 2 a 5 años
―9045 – 65 %2 min160 – 260ºC_____Explosión de vapor sin
catalizador (e)
Actual+ +5560-75%BaseHidrólisis alcalina (d)
Actual+< 8575-90%2-10 min>160ºCÁcidoHidrólisis con acidodiluido(c)
Disponibilidad
Costos (b)
Rendimiento de Xilosa
Tiempo de
Reacción
Temperatura/presión
Medio Químico
Efecto enzimático
(a)(downstream)
Método de Pre-
Tratamiento
Comparación de varias opciones de pre-tratamientos (remoción de lignina e hidrólisis de hemicelulosa)
Estado del Arte… (8)
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Estado del Arte (6)
Biomasa Pre-tratamiento Hidrólisis Fermentación
Purificación
Co.-generación
Etanol
AguaResidual
SólidosResidual
Electricidad
VaporFase - Hidrólisis•ácido sulfúrico concentrado•diluir el ácido sulfúrico•uso de ácido nítrico•pretratamiento de ácido seguido de hidrólisis enzimática.
Estado del Arte… (9)
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Proceso Consumibles Temperatura °C Tiempo Producción
de Glucosa Disponibilidad
Diluir el Ácido Sulfúrico <1% H2SO4 215 3 min 50 - 70 % Actualmente
Ácido Sulfúrico Concentrado
30 - 70% H2SO4
40 2 - 6 h 90% Actualmente
Enzimático (pretratamiento de ácido seguido de hidrólisis enzimática)
Celulasa 70 1.5 días 75% 95% Actual 2020
Fase - Hidrólisis
Comparación de las Condiciones de Proceso y desempeño de tres procesos de hidrólisis de celulosa
Estado del Arte… (10)
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I&D - HidrólisisHidrólisis
Arkenol Ácido Sulfúrico Concentrado
Diluir el Ácido Sulfúrico en dos etapasInvestigación de hidrólisis enzimática
Iogen Hidrólisis enzimática
Masada Ácido Sulfúrico Concentrado
Para C-5 ,Diluir el Ácido Sulfúrico
Para C-6, enzimática
Ácido Sulfúrico Concentrado
Diluir el Ácido Sulfúrico
BCI
NREL
TVA
Estado del Arte… (11)
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Biomasa Pre-tratamiento Hidrólisis Fermentación
Purificación
Co.-generación
Etanol
AguaResidual
SólidosResidual
Electricidad
Vapor
I&D en esta fase se centra en el desarrollo (natural o manipulación genética) de microorganismos tales que puedan metabolizar azúcares C5 y C6, en menos etapas de reacción
Fase 3. Fermentación
Estado del Arte… (12)
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Configuración de ProcesoEstado del Arte… (13)
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Reducción del tamaño de partícula
Pretratamiento
Desintoxicación y neutralización
Separación sólidos/ líquidos
ProducciónEnzimática
HidrólisisEnzimática
FermentaciónAzúcarCelulósica
FermentaciónAzúcarHemicelulosa
Proceso Típico para la Obtención de Etanol
Base Lignocelulósicos
Etanol
Co-productos
Procesamiento deResiduos
Recuperación delProducto
SSF
Estado del Arte… (14)
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Reducción del tamaño de partícula
PretratamientoConversión Directade la celulosa/hemicelulosa en azúcar
Incorporando el concepto de BIOREFINERIA
Etanol
Co-productos
Procesamiento deResiduos
Recuperación delProducto
•Incrementar la productividad por área de cultivo•Mejorar las características de la biomasa
•Aprovechar de forma extensa los catalizadores biológicos•Reducir las condiciones severas del proceso y los residuos•Incrementar el contenido de azúcares
•Eliminar la separación•Combinar en un solo reactor la producción enzimática, la hidrólisis y la fermentación•Proceso Integral
Oportunidades para IDT Estado del Arte… (15)
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Ingeniería GenéticaEstado del Arte… (16)
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Costos de Producción de Etanol
Mantenimiento4%
Servicios Elec y Agua 4%
Mano de Obra y Gastos de Admon
4%Enzimas, hongos y
químicos5%
Gastos Financieros
6%
Gas Natural12%
Materia Prima62%
Otros 5%
Uno de los costos más importante al momento de producir el Bioetanol, es el precio que se paga por la Materia Prima
http://plantsci.sdstate.edu/precisionfarm/paper/Powerpoint012605/Ethanol%20Share%20Ownership.pdf
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Tallo
Hojas
Olote
Raíces
Agroresiduos: 1 to 2 tons /acre
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Proyecciones: Producción de Etanol en Estados Unidos
2006 4.8 (maíz)2008 7.5 (maíz + celulosa)2015 12.0 (maíz + máyor productividad celulosa)2030 60.0 ( toda la celulosa + maíz)
Esta es la visióndel futuro…
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Eficiencia Energética / tecnologías
Producción de Energía Limpiay Biocombustibles
Oportunidades deNegocio
Áreas Potenciales de Desarrollo
Creación de Nuevos Negocios en el Mercado Global
I&D Tecnologías
N2O CO2
CO2CO2
CO2
CH4
F-gases
Captura y utilización de las emisiones
contaminantes
Servicios, consultorias energéticas
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Producción Potencial de Etanol con Materias Primas Lignocelulósicas
-
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
bagazo
r. madera
cebada
sorgo
trigo
maíz - olote
maíz - rastrojo
frijol
arroz -cascarillaarroz - rastrojo
Mill
ones
de
litro
s Presente y Futuro del Bioetanol en México
Fuente: Estudio propio, IMP, 2007
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Aparte del Bioetanol…• Gasificación de la Biomasa y Rutas
Tecnológicas Alternas– Combustibles Fischer-Tropsch (F-T). – Metanol.– Dimetil Éter
• Biodiesel– A partir de Algas
• Procesos de Producción de Hidrogeno a partir de Biomasa
• La Ingeniería Genética
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El IMP…Grupo de Biocombustibles• Bioetanol
– Fermentación– Hidrólisis– Biotecnología
• Biodiesel– Mejoras de Proceso– Base Algas
• Biocrudo– Pirolisis– Gasificación
• Factibilidad• Realidades y Mitos• Las opciones realespara el país
• Hidrógeno• Sustentabilidad
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Bionergéticos
• ¿Por qué es relevante el Bioetanol en este momento? – Es un mercado potencial enorme– Puede ser usado en motores convencionales– Desarrollo rápido de políticas públicas para
incorporarlo– Es una tendencia internacional para combatir
el Cambio Climático– Reactivación de campo (sector clave en los
países en desarrollo)
Recomendaciones… (4)
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Impulsores de Sustentabilidad
Cambio Climático
Revitalización del campoSeguridad Energética
Diversificación Energética
¿Por qué?
¿Cómo?
Precios del PetróleoApoyo
GubernamentalLey de Bioenergéticos
Nom 086 (UBA)
Nicho de Mercado; LocalMezclado en Infraestructura existente
PromociónEducación
Sector Transporte/Autotransporte
Pemex /Armadoras
SectoresInvolucrados
Rol Mercado Energético Internacional
Mercadoen Desarrollo
Mercado de Bioenergéticosen Desarrollo
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www.imp.mx Elbersen, Wageningen, 2004
Switchgrass: 5 a 10 ton /acre