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Biodiesel, ejemplo notable de combustible alternativo
Este combustible ha demostrado sus bondades en diversos países de Europa y en Brasil. Sin embargo, para que la economía de producción del biodiesel sea competitiva con el petrodiesel, requiere de incentivos gubernamentales y fiscales.
Ing. Jorge Luis Aguilar González*
La búsqueda de combustibles amigables con el Medio Ambiente, el incremento en los precios del petróleo y la reflexión sobre lo limitado de este recurso, son los motivadores para la búsqueda de combustibles alternativos, entre los cuales destaca el Biodiesel, que es un combustible de origen vegetal que reemplaza al Diesel derivado del petróleo, con una serie de cualidades que superan por mucho su desempeño.
El Biodiesel se obtiene de fuentes renovable de energía, es no tóxico, biodegradable, seguro de manejar y almacenar, en menos irritante, de aroma agradable, menos ruidoso y alarga la vida del motor. Sus buenas cualidades son una fuente importante de incentivos, sobre todo desde el punto de vista social, para impulsar crecientemente su uso, ya que reduce estratégicamente la dependencia tecnológica, genera gran cantidad de fuentes de trabajo y promueve el desarrollo agroindustrial
Para que la economía de producción del Biodiesel sea competitiva con el Petrodiesel, requiere de incentivos gubernamentales y fiscales.
Introducción
El incremento en los precios internacionales del petróleo y la reflexión sobre lo limitado de este recurso, sobre todo con una visión a futuro, hace necesaria la búsqueda constante de alternativas en cuanto a energéticos. Asimismo, el desarrollo industrial y el crecimiento de la población, ha impulsado la búsqueda constante de combustibles amigables con el Medio Ambiente. En 1992 este esfuerzo cristalizó en el reconocimiento oficial por el Departamento de Energía de Estados Unidos de los llamados Combustibles Alternativos, dentro de los cuales destaca como una opción muy atractiva el llamado Biodiesel; combustible de origen vegetal que reemplaza al Diesel derivado del petróleo, con una serie de cualidades que superan por mucho el desempeño del Diesel tradicional.
Las primeras investigaciones sobre la producción del Biodiesel se remontan a la época de la Segunda Guerra Mundial, sin embargo no fue sino hasta la década de los 70's que se desarrollaron de manera sólida, los primeros métodos de producción, como respuesta ante la crisis energética mundial de esa década. Las primeras pruebas técnicas de aplicación en motores se realizaron en los primeros años de la década de los 80's en Europa y en 1985 se construyó la primera planta piloto en Austria para la producción de este energético.
El Biodiesel es un combustible obtenido de fuentes renovables, de propiedades similares al Diesel obtenido de la refinación del petróleo o Petrodiesel, que se obtiene de aceites vegetales o grasas animales. Esta compuesto principalmente de ésteres de metilo de ácidos grasos. En Europa se emplea principalmente aceite de colza, mientras que en Estados Unidos se emplea principalmente aceite de soya. No obstante, el Biodiesel puede elaborarse a partir de una amplia variedad de materias primas que incluyen aceite de maíz, semilla de algodón, aceite de palma, aceite de coco, jojoba, girasol y grasas animales.
Desarrollo
La tecnología de producción no es complicada y como se dijo antes no es particularmente nueva. Los triglicéridos de la grasa o aceite usado como materia prima reaccionan con metanol en presencia de una base, usualmente hidróxido de sodio o potasio, en ausencia de agua para producir el éster de metilo correspondiente al ácido graso contenido en el triglicérido de partida y glicerina como subproducto. En general la conversión de la reacción es alta (arriba del 98%) de tal forma que como "regla de dedo" se puede decir que cada 100 Kg. de aceite, requiere 10 Kg. de metanol para producir 100 Kg. de Biodiesel y 10 Kg. de glicerina.
La economía de producción del Biodiesel es muy dependiente del crédito obtenido por la venta de la glicerina subproducto. En la actualidad, debido a la relativamente baja producción de Biodiesel a nivel mundial, la cantidad de glicerina producida no tiene impacto significativo en el mercado de este producto, sin embargo si el mercado del Biodiesel continua creciendo, el suministro de glicerina empezará eventualmente a aparecer sobreofrecido, los precios de la glicerina disminuirán y los costos del Biodiesel aumentarán. Una opción consiste en desarrollar posibilidades de uso alternas para la glicerina, de tal forma que el mercado de este producto amplíe también sus horizontes.
El Biodiesel cuenta con muchas propiedades atractivas, siendo una fuente renovable de energía, no tóxico, biodegradable y que reduce estratégicamente la dependencia tecnológica, dado que los métodos para producirlo no son complejos. Con los precios del petróleo, proyectables con base en un análisis de precios estable, no como los que en los últimos años se han tenido, resulta más caro de producir que el Petrodiesel. Sus buenas cualidades son una fuente importante de incentivos, sobre todo desde el punto de vista social para impulsar crecientemente su uso. Desde 2002 se ha estado empleando (al menos de manera limitada) en proporciones bajas, típicamente del 20%, mezclado con el Petrodiesel, mejorando las propiedades de este último.
No obstante el crecimiento acelerado de la producción, como se muestra en la figura 1, para que la economía de producción del Biodiesel sea competitiva con el Petrodiesel, requiere de incentivos gubernamentales y fiscales, merecidos por sus buenas características.
Figura 1 Crecimiento de la Producción de Biodiesel, 1992-2002
La comparación de competitividad, mostrada en la sección de costos, se basa en precios de crudo del orden de 24 a 30 dólares por barril, considerando que los precios del crudo actuales podrían ser anormalmente altos.
Cabe mencionar que se estimaba que los precios altos del 2003 y 2004 no se conservarán
por mucho, sin embargo esto no ha sido así y existe un buen porcentaje
de posibilidades que los precios internacionales del crudo no vuelvan a los
niveles de precios mencionados antes. Esto nos obliga a hacer un ejercicio de
sensibilidad con precios del petróleo del orden de los 50 dólares
el barril, al menos como referencia para evaluar mas justamente las posibilidades
que el Biodiesel tiene de convertirse en económicamente viable o que
requiera menores niveles de estimulación fiscal y/o subsidios gubernamentales.
El Biodiesel tiene un poder calorífico ligeramente menor que el Petrodiesel siendo de aproximadamente 16,000 BTU/lb (118,170 BTU/gal) comparado con 18,300 BTU/lb (129,050) del Petrodiesel, es decir, su poder calorífico es 14% menor; por su comparación en peso o bien 9% menor si la comparación se hace con base en unidad de volumen.
Entre los principales beneficios en el desempeño que ofrece el Biodiesel se encuentra su número de cetano, propiedad que usualmente esta asociada con una operación mas silenciosa y facilidad para arrancar en clima frío, que en el Biodiesel es de 46 a 62 dependiendo del aceite vegetal o grasa a partir del que se obtiene, mientras que el Petrodiesel estándar tiene 40 y el Diesel especial CARB tiene como especificación 50.
En
cuanto a las emisiones el Biodiesel tanto en su modalidad mezclado con Petrodiesel
en proporción del 20% (B20) o 100% Biodiesel (B100) presenta importantes
reducciones de todas las emisiones excepto por las emisiones de Óxido
de Nitrógeno donde compite en desventaja con el Petrodiesel, como se
indica en la tabla siguiente.
TIPO
DE EMISION |
B
100 |
B
20 |
REGULADAS |
Hidrocarburos
Totales |
-67% |
-20% |
Monóxido
de Carbono |
-48% |
-12% |
Partículas |
-47% |
-12% |
NOX |
+10% |
+2% |
NO
REGULADAS |
Sulfatos |
-100% |
-20% |
HAP
(Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos) |
-100% |
-20% |
NHAP
(HAP nitrados) |
-90% |
-50% |
Ozono
potencial de HC especiales |
-50% |
-10% |
Tabla 1. Emisiones promedio del Biodiesel comparadas con las del Petrodiesel
El punto de inflamación o “flashpoint” también es sustancialmente mejor en el Biodiesel, que lo convierte en un combustible mucho más seguro de almacenar. El punto de inflamación del Biodiesel es de 300°F comparado con el punto de inflamación del Petrodiesel que es de 120 a 160°F. Es incluso más seguro de almacenar que el propio combustóleo que tiene un punto de inflamación de 150 a 240°F.
En cuanto a las propiedades lubricantes, el Biodiesel es muy superior al Petrodiesel lo cual ha sido demostrado en pruebas que realizan los productores del Petrodiesel, la mas comunmente empleada por los refinadores de petróleo de Estados Unidos es la prueba llamada "High Frecuency Reciprocating Rig" o HFRR con base en la cual se ha estimado que la vida de los motores alimentados con Biodiesel podría ser de hasta el doble de la que tendrían si fueran alimentados con Petrodiesel. Se estima que las cualidades lubricantes del Petrodiesel irán disminuyendo conforme los requisitos de contenido de azufre vayan siendo más estrictos, de tal forma que algunos refinadores de petróleo ya están agregando aditivos al Diesel para mejorar sus propiedades de lubricación, en este renglón el Biodiesel comienza a cobrar relevancia.
En adición a todas estas ventajas, el Biodiesel puede emplearse en los motores a Diesel convencionales sin requerir modificación alguna, lo que facilita grandemente su introducción al mercado ya sea al 100% (B100) o mezclado con el Petrodiesel, siendo la proporción más frecuente al 20% en el llamado B20, que incluye 20% de Biodiesel y 80% de Petrodiesel.
Los derrames de este combustible en ríos y mares resultan mucho menos contaminantes ya que es fácilmente biodegradable, se degrada biológicamente el 85% en sólo 4 semanas, debido a lo anterior el Biodiesel es ideal para emplearse en motores de barcos y lanchas y transportes en parques nacionales, bosques y sobre todo en las grandes ciudades.
| PLANTA | Kg. DE ACEITE/ HECTÁREA |
Maíz |
145 |
Algodón |
273 |
Cáñamo |
305 |
Soya |
375 |
Linaza |
402 |
Mostaza |
481 |
Girasol |
800 |
Cacahuate |
890 |
Colza |
1000 |
Ricino |
1188 |
Jojoba |
1528 |
Coco |
2260 |
Palma |
5000 |
Tabla 2. Comparación de rendimiento típico de cosechas para producción de aceite vegetal
Dado que la materia prima principal es el aceite vegetal, el Biodiesel se convierte en un factor sobresaliente para promover el desarrollo regional. Los aceites vegetales que pueden emplearse son muy variados de tal forma que dependiendo del lugar de producción que se seleccione puede encontrarse el cultivo idóneo para el clima específico de la localidad, desde la jojoba para climas desérticos hasta el aceite de coco y palma para los climas tropicales.
La tabla 2 muestra una lista de los aceites vegetales que son factibles de emplear como materia prima para la producción del Biodiesel y los rendimientos en producción de aceite por hectárea.
Proceso de Producción
Los procesos para la producción del Biodiesel son relativamente simples y consisten en general de lo siguiente.
El aceite vegetal proveniente de almacenamiento es precalentado a aproximadamente 70°C, se pasa al tanque de retención donde se pone en contacto con sosa cáustica al 9.5% en peso para eliminar los ácidos grasos libres, después es lavado con agua precalentada a 70°C. La mezcla a dos fases del tanque de retención se separa por centrifugación, enviando la fase acuosa a tratamiento de efluentes.
El aceite refinado se alimenta a un secador a vacío, el agua recuperada del domo es condensada y enviada también a tratamiento, mientras que el aceite refinado seco se envía a almacenamiento intermedio.
El aceite refinado seco se somete a una reacción de ésterificación en dos etapas. Se alimenta metanol fresco y reciclado al tanque de mezclado donde se agrega hidróxido de potasio como catalizador, como alternativa de catalizador se puede usar hidróxido de sodio o metóxido de sodio. Se emplea una relación 2:1 molar en exceso de metanol, el catalizador se mantiene en una proporción del 10% en peso relativo al metanol de alimentación. Esta mezcla se alimenta junto con el aceite al reactor de ésterificación de primera etapa el cuál es calentado por medio de un serpentín de vapor.
El efluente de la primera etapa es separado en un sedimentador de donde la fase orgánica superior se separa y envía al reactor de ésterificación de segunda etapa, mientras que la fase inferior se envía a recuperación de glicerina.
En el reactor de ésterificación de segunda etapa se alimenta metanol adicional y catalizador, también este reactor cuenta con serpentín de calentamiento con vapor y el efluente se envía al segundo separador. La fase inferior se envía a recuperación de glicerina, mientras que la fase orgánica superior pasa a lavado del éster. La temperatura de ambas etapas de reacción se mantiene en 60°C, siendo la presión de operación cercana a la atmosférica.
En la operación de lavado, el metil éster se pone en contacto con agua a 70°C en tres columnas en paralelo en contracorriente. La fase acuosa del fondo de las columnas se envía a recuperación de glicerina. La fase acuosa del domo de las columnas lavadoras se envía a separación por sedimentación, donde nuevamente la fase acuosa inferior se envía a recuperación de glicerina. La fase orgánica superior es precalentada y después secada a vacío en un secador calentado por vapor. El vapor de la parte superior del secador es condensado y enviado a tratamiento de agua.
El Biodiesel producto se obtiene por el fondo del secador y es enviado a almacenamiento. La producción másica de Biodiesel es aproximadamente el 96% de la masa de aceite alimentado.
Figura 2. Esquema de Producción del Biodiesel
Costos
Un estudio realizado en dos plantas de escala comercial para la producción de Biodiesel a partir de aceite de soya y una planta de producción de Petrodiesel de ultra bajo contenido de azufre (15ppm) reporta una notable desventaja en términos de costos para el Biodiesel ya que el costo total incluyendo materias primas, servicios auxiliares, costos de operación, depreciación y costo de retorno de capital para este combustible resultó ser de aproximadamente2.20 Dólares/galón, mientras que para el Petrodiesel resultó de 0.85 Dólares/galón (considerando un precio de crudo de 30 dólares por barril).
Un ejercicio simplificado considerando el precio internacional del crudo de 50 dólares por barril, implicaría un costo de producción del Petrodiesel de 1.42 dólares por galón y de aproximadamente 1.70 considerando el crudo a 60 dólares.
Se debe notar, además, que el factor escala de producción es muy diferente en la comparación, ya que la planta de Petrodiesel considerando fue una de 30,000 BPD de capacidad (1,500 miles de toneladas al año), mientras que la planta de Biodiesel tenía una capacidad de 1,900 BPD (100 mil toneladas al año) es decir, hay un efecto de escala de 15 a 1, sin embargo en la actualidad hay que reconocer que no es factible encontrar una planta de Petrodiesel de 2,000 BPD o una planta de Biodiesel de 30,000 BPD.
La inversión unitaria de la planta para cada una de las dos alternativas refleja esta situación. El costo unitario de la planta de Biodiesel es de 36,300 Dólares/barril, mientras que para el Petrodiesel es de 3,950 Dólares/barril.
Otro factor importante a considerar es que actualmente los métodos de cultivo, recolección y producción de aceite vegetal no están concebidos para el consumo masivo de este producto y por lo tanto resultan en costos de materias primas extremadamente altos, el costo del aceite de soya representa una fracción importante del costo (85%).
Conclusiones
Es previsible que al incrementar significativamente el consumo de Biodiesel la escala de producción de las plantas se incremente con lo que los costos fijos de depreciación y retorno de capital por unidad de masa disminuirán. De igual manera, el costo del aceite vegetal producido en forma masiva podría disminuir apreciablemente, lo que acercará los costos de producción de ambos tipos de combustible.
El precio internacional del crudo también es un factor determinante, ya que a pesar de que durante el ultimo año los analistas han estado prediciendo que el precio disminuiría la realidad ha sido todo lo contrario; el crudo ha continuamente incrementado su precio en junio de 2005 es de 60 dólares por barril.
No obstante la desventaja económica del Biodiesel, todavía es una opción que debe considerarse en función de su gran cantidad de ventajas:
1.
Libre de contaminación - No contiene azufre
2. Lubricante- Duplica la vida del motor
3. Producción simple - No hay dependencia tecnológica
4. Promueve el desarrollo agroindustrial – Importante para los países
en desarrollo
5. Es biodegradable
6. Materia prima renovable – Contribuye al desarrollo sustentable
7. Alto punto de inflamación - Seguridad en el manejo
8. No genera dependencia energética – Planeación estratégica
segura
9. Menos irritante
10. Aroma agradable
11. Mejor combustión - Menos ruidoso
El Biodiesel constituye una opción de gran trascendencia, especialmente para los países como el nuestro en el que son prioridades, la generación de fuentes de trabajo, potenciar el desarrollo agrario, fortalecer la independencia tecnológica y mantener una cuidadosa administración de nuestros recursos energéticos.
Bibliografía
Martínez R, Mercedes, “Utilización de Aceites Vegetales para la Obtención de Biodiesel”, Universidad Complutense de Madrid, 2002.
Larrosa, Rodolfo, “Proceso de Producción de Biodiesel”
Carrandini, Eugenio, “Biodiesel: El pasado del Futuro”, SAGPyA, República Argentina, 2002.
PERP Report, “Biodiesel”, Nextant, Chem Systems, 2003.
Aguilar
G, Jorge Luis, “Combustibles Alternativos”, Primer Foro Regional
de Tecnología en Procesos Productivos, Puebla, México, 30 de Junio
de 2005.
* Ingeniero químico de la UNAM con maestría en ingeniería química de la misma universidad. Tiene 28 años de experiencia en el desarrollo de proyectos de ingeniería en los sectores energético y químico. Trabajó 23 años en Bufete Industrial y actualmente es Gerente de Procesos en ICA Fluor. Es presidente del Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos (IMIQ) México-Centro (jorgeluis.aguilar@icafluor.com)