Bio Car Bur Antes

Laboratorio de Procesos Químicos y Bioquímicos Integrados

Universidad Complutense de Madrid

EL RETO DE LAS ENERGÍAS EL RETO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES: RENOVABLES:

BIOCARBURANTES Y BIOMASABIOCARBURANTES Y BIOMASA

Mercedes Martínez Rodríguez


Dpto. Ing. Química. Universidad Complutense de Madrid



INDICE1. INTRODUCCIÓN

• DESARROLLO SOSTENIBLE

• CONSUMO ENERGÉTICO Y EMISIONES

• BIOCARBURANTES

- Ventajas

2. PROCESO DE OBTENCIÓN DE BIOETANOL

3. PROCESO DE OBTENCIÓN DE BIODIESEL

• BIODIESEL

• ANÁLISIS DE MATERIAS PRIMAS

• ANÁLISIS DEL PROCESO INTEGRADO

4. DIAGRAMA DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL

5. PLANTA DE PRODUCCIÓN INTEGRADA DE BIODIESEL (ALCALÁ DE HENARES)



DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIOAMBIENTE



• CUMBRE DE RIO

• PROTOCOLO DE KIOTO

• LIBRO BLANCO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES (U.E)

• PLAN DE FOMENTO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES (ESPAÑA)

RESPETO AL RESPETO AL MEDIOMEDIO

AMBIENTEAMBIENTE

DESARROLLOSOSTENIBLEOBJETIVO



- Sustitución total o parcial- Reformulaciones

- Modificación motores actuales- Diseño de motores nuevos

RECURSOS VEGETALESRENOVABLES

PRODUCTOS ORGANICOS

- Crisis energéticas- Incidencia económica- Preocupación medioambiental- Superproducción agrícola

COMBUSTIBLES

POLÍMEROS



DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA FINAL POR SECTORES EN LA UNIÓN EUROPEA (2004)

31%

39%

30%

TRANSPORTE DOMESTICO Y SERVICIOS INDUSTRIA

Fuente Eurostat



34,9

38,9

26,1

Industria Transporte Usos Diversos

36,2

36,1

27,7

Industria Transporte Usos Diversos

DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA FINAL POR SECTORES EN ESPAÑA

20042004 20102010



8,1

4623,7

9,9

12,1

CarbónPetróleoGas NaturalNuclearEnergías Renovables

CONSUMO ENERGÍA PRIMARIA EN ESPAÑA

14,9

49,8

17,3

11,76,5

CarbónPetróleoGas NaturalNuclearEnergías Renovables

20042004 20102010



65 7 5 23

7 17 5 71

25 19 20 36

0% 20% 40% 60% 80% 100%

NOx

SO2

CO2

TRANSPORTE INDUSTRIA DOMESTICO Y SERVICIOS SECTOR ENERGETICO

Emisiones por Sectores en la Unión Europea (2000)



¿QUÉ SON LOS BIOCARBURANTES?

Los BIOCARBURANTES son combustibles para el transporte obtenidos a partir de materiales biológicos.

Se pueden elaborar a partir de diferentes cultivos o de residuos orgánicos.

Pueden utilizarse mezclados, en una proporción que noafecte al rendimiento de los motores actuales, o en estado puro, para vehículos especialmente adaptados.



TIPOS DE BIOCARBURANTESPrincipales biocarburantes disponibles

BIOETANOL. Alcohol etílico obtenido por fermentación y destilación de materias primas vegetales: jugos azucarados (remolacha...), celulosas (de residuos forestales...) o almidones (cereales, etc.). Puede utilizarse en estado puro, mezclado directamente con gasolina, oincorporarse a la gasolina tras haber sido transformado en ETBE.

BIODIESEL. Éster metílico o etílico, obtenido por transesterificación de aceites vegetales. Se utiliza en estado puro o mezclado con gasóleo convencional.



Biocombustibles a partir de Biomasa

CombustiblesSólidos

CombustiblesLíquidos

CombustiblesGaseosos

PajaLeña sin procesarAstillasBriquetasTriturados finosCarbón Vegetal

• Biometanol⌫MTBE yTAME

• Bioetanol⌫ETBE• Aceites Vegetales• Ésteres Metílicos y

Etílicos: Biodiesel

• Gas de Gasógeno• Biogás• Hidrógeno



MOTORES OTTOSIN

MODIFICACIONES

Reacción conisobuteno

Reacción conisopenteno

MTBE 15 % máx.en gasolina

TAME 85 % máx.en gasolina

MADERAPAJA DE CEREALES

Y OLEAGINOSAS

Gasificación de celulosa y lignina METANOL 15 % máx.

en gasolina

CEREALESPATATAS

CAÑA DE AZÚCARREMOLACHA

Hidrólisis y fermentacióndel almidón

Fermentación de azúcar

ETANOL

ETBEReacción conisobuteno

20 % máxen gasolina

20 % máx.en gasolina MOTORES OTTO

SINMODIFICACIONES

ÉSTERES METÍLICOS O ETÍLICOS

Utilización directaCualquier % en gasóleo

Utilización directaCualquier %en gasóleo

MOTORES DIESEL DEINYECCIÓN INDIRECTA

O MODIFICADOS

Transesterificacióncon metanol/etanol

ACEITESVEGETALES

SEMILLAS Y FRUTOSOLEAGINOSOS Extracción

GRASASANIMALESANIMALES Extracción

CALEFACCIONES

MOTORES DIESELSIN

MODIFICACIONES



Alternativa a los combustibles derivados del petróleo.Energía renovable.Reducción de la importación de crudos.Combustible no tóxico y biodegradable.Reducción de las emisiones contaminantes.Disminución del efecto invernadero.Niveles de ingresos y empleo en el medio rural.Utilización de los excedentes de producción agrícola.Utilización de residuos orgánicos.

VENTAJAS DE LOS BIOCARBURANTES



BIOETANOL



PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

BIOETANOL

USOS DEL ETANOLUSOS DEL ETANOL

• Energía: Etanol como combustible• Precursor de Productos Químicos (ETBE)

PRODUCCIÓN INDUSTRIALPRODUCCIÓN INDUSTRIAL

• Fermentación de azúcares• Producción sintética: hidratación de etileno



PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

PROCESOS DE FERMENTACIÓN

C6H1206 2 C2H5OH + 2 CO2

BASES PARA EL DISEÑO DEL PROCESO

• Materias Primas• Tecnología y configuración• Tamaño de la planta propuesta• Residuos y Co-productos



MATERIAS PRIMAS

•AZÚCARES: azúcar de caña, remolacha, melaza, sorgo.

•HIDRATOS DE CARBONO: cereales (trigo, maíz, cebada, sorgo) y

tubérculos (patata, mendioca).

•CELULOSA: residuos de cultivo, forrajes (alfalfa).

La La elecciónelección de la de la materiamateria prima prima eses unauna variable variable críticacrítica, , puestopuesto quequepuedepuede representarrepresentar entreentre el 55 el 55 –– 75 % del 75 % del precioprecio final del final del bioetanolbioetanol



COMPARACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS

1.- La disminución de costes del proceso de hidrólisis está en desarrollo

1.- El empleo no implica ninguna integración con el mercado de la comida.2.- Materiales extendidos y abundantes.

1.- Molienda2.- Hidrólisis de los polímeros

-Residuos de careales:Maíz stover, paja de trigo..-Forraje-Gestión de residuos forestales

Celulosa: Bipolímerosde la Glucosa.

Material Celuloso

1.- La preparación implica equipamiento adicional, mano de obra y coste de energía.

1.- Las técnicas de almacenamiento están bien desarrolladas.2.- Las prácticas de cultivo son extendidas.3.- Coproducto para la alimentación ganadera (alto nivel de proteinas).

1.- Molienda2.- Licuefacción y sacarificación (hidrólisis enzimática)

-Grano de cereales: maíz, zahína, trigo, cebada, sorgo…-Tubérculos: patatas, mandioca, alcachofa

Moléculas de Almidón: Bipolímeros de la Glucosa

Hidratos de Carbono

1.- El almacenamiento puede provocar pérdidas de azúcar2.- Las prácticas de cultivos no están muy disemninadas.

1.- Preparación mínima2.- Altas prestaciones de Etanol por hectárea.3.- Los coproductos de cosecha tienen el mismo valor que el combustible, comida para ganado o la enmienda del suelo.

1.-Moler para extraer el azúcar

-Caña de azúcar-Azúcar de Remolacha-Melaza-Pulpa de la fruta y residuos de su zumo.-Bastón de la Zahína-Suero

Azúcares directamente fermentables:-Monómeros de la Hexosa (Glucosa, Lactosa)-Disacáridos (Maltosa, Sacarosa)

Azúcares

PRINCIPALES DESVENTAJAS

PRINCIPALES VENTAJASPROCESOS NECESARIOS ANTES

DE LA FERMENTACIÓN

MEJORES MATERIAS PRIMAS

MATERIALES PARA LA FERMENTACIÓN

DE ETANOL

TIPO DE MATERIA

PRIMA



Materiales de “Azucareras”Brasil - Es el mayor productor mundial de caña de azúcar

- Las altas prestaciones de la caña de azúcar, la hacebajar en el mercado.

Otros - India, el sur de Europa

Materias primas “Carbohidratos”- 40% de la producción mundial se basa en ganos de cereales

USA: sorgo y maíz

Europa: (corrientemente) trigo y cebada

(futuro) trigo, maíz, cebada, centeno

Materiales “Lignocelulósicos”

- En desarrollo comercial



TECNOLOGÍA DEL PROCESO Y CONFIGURACIÓN

BIOMASA BIOETANOL

El proceso consta de 4 etapas básicas:

1.- Conversión de los hidratos de carbono en Azúcar

2.- Fermentación de los azúcares en etanol

3.- Purificación del etanol

4.- Tratamiento de los residuos o neutralización



HIDRATOS DE CARBONO A AZÚCARES

MOLERMOLER LICUEFACCIÓNLICUEFACCIÓN SACARIFICACIÓNSACARIFICACIÓN

MAÍZMAÍZ CalCal

UreaUrea

EnzimaEnzima

HH22SOSO44

EnzimaEnzima

RecicloReciclo PuréPuré

1.Molera.- Molienda en secob.- Molienda húmeda

2.Conversión de Almidón2.1.- Licuefacción: α - amilasa (producción de maltosa y más altos oligómeros2.2.- Sacarificación: gluco – amilasa (producción de glucosa)



RECUPERACIÓN Y PURIFICACIÓN DEL ETANOL

GRADOS DEL ETANOL INDUSTRIAL

• 190 proof (92.4 wt%)• Grado técnico (95 wt%)• 200 proof, alta purificación (99.85 wt%) Aplicaciones

para combustibles



BIODIESEL



PROCESO DE OBTENCIÓN DE BIODIESEL



DEFINICIÓN DE BIODIESEL

Ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se emplea en los motores de ignición de compresión (motores diesel) o en calderas de calefacción(Definición de American Standards for Testing and Materials)

Esta definición incluye, además de los ésteres metílicos o etílicos, otros ésteres de monoalcoholes como los ésteres isopropílicos, butílicos etc.



Especificaciones del Biodiesel (Unión Europea)



Biodiesel. Antecedentes Históricos

1900 Rudolf Diesel _____________ Aceite de Cacahuete

1920 Shay ___________________ Aceite de Palma

2ª Guerra Mundial ____________________ Aceites Vegetales

1973-1979 Crisis del Petróleo _________ Aceites Vegetales

1980 _______________________________ Dilución de Aceite en GasóleoMezcla de Aceite y DisolventePirólisis del Aceite

Situación actual ______________________ Procesos de TransesterificaciónCatalítica de Aceites Vegetales



Características Fisicoquímicas(Gasóleo y Aceites Vegetales)

32.133.533.7--34.234.334.135.4Poder Calorífico Inferior, MJ/L

5139-4136-3938-4035-4040-4232-363350Índice de Cetano3.84*

88.529.5

64.26-

-28.669.9

24,829.8

-77,825.7

65.8-

4,32.4

Viscosidad, cSt20ºC50ºC

0.8600.9140.916-0.9150.9150.9160.9240.837Densidad, kg/LBiodieselCacahueteSojaPalmaAlgodónCocoColzaGirasolGasóleoPROPIEDAD

* A 40ºC



REACCIÓN QUÍMICA

++CH

O

O

O

CH2

2CH

OCR

OCR

OCR

3CHOH3

3 CH3

O

OCR OH

OH

OHCH2

2CH

CH

100Kg 11Kg100Kg11KgAceite Vegetal Alcohol Metil éster Glicerina



Etapas de la Reacción de MetanolisisCH2-O-CO-R1

CH-O-CO-R2

CH2-O-CO-R3

TRIGLICÉRIDO

+ +

CH2-O-CO-R1

CH-O-CO-R2

CH2-OH

DIGLICÉRIDO

CH3OH

METANOL

CH3-O-CO-R3

ÉSTER METÍLICO

CH2-O-CO-R1

CH-O-CO-R2

CH2-OH

DIGLICÉRIDO

CH3OH

METANOL

+ CH3-O-CO-R1

ÉSTER METÍLICO

+

CH2-OH

CH-O-CO- R2

CH2-OH

MONOGLICÉRIDO

CH2-OH

CH-O-CO-R2

CH2-OH

MONOGLICÉRIDO

CH3OH

METANOL

+ CH3-O-CO-R2

ÉSTER METÍLICO

CH2-OH

CH-OH

CH2-OH

GLICERINA

+



ACEITES VEGETALES

Aceites Vegetales de semillasAc. Vegetales de final de campaña

Aceites Modificados genéticamenteAceites Vegetales Alternativos

Aceites Fritos Usados

ALCOHOLES

MATERIAS PRIMAS

MetanolEtanol

2-Propanol

PROCESOBIODIESEL

HomogéneoHeterogéneo

CONDICIONESEXPERIMENTALES

TemperaturaRelación Molar

Concentración CatalizadorPresión

Agitación

CATALIZADORES

BIODIESEL

ÉSTERESESTÁNDAR

Índice de SaponificaciónÍndice de Acidez

AcidezContenido en Metanol

GlicéridosGlicerina LibreÍndice de Yodo

Contenido en Fósforo

RENDIMIENTO



PROCESO DEOBTENCIÓN DE

BIODIESEL

ANÁLISIS DE LASMATERIAS PRIMAS

ANÁLISIS DELPROCESO

INTEGRADO



ANÁLISIS DE LAS MATERIAS PRIMAS



Análisis de las Materias Primas

1. Elección de la Materia Prima

- Calidad constante.

- Producciones fijas

2. Acondicionamiento y Pretratamiento



Aceites Vegetales CONVENCIONALESAceite de girasol.Aceite de colza.Aceite de soja.Aceite de coco.

Aceite de palma.

Aceites Vegetales ALTERNATIVOSAceite de Brassica carinata.

Aceite de Cynara curdunculus.Aceite de Camelina sativa.

Aceite de Crambe abyssinica.Aceite de Pogianus.

Aceite de Jatropha curcas

Aceites de Semillas MODIFICADAS GENETICAMENTEAceite de girasol de alto oleico

Aceites de FRITURA USADOS

Aceites de OTRAS FUENTESAceite de producción microbiana

Aceite de microalgas

Materias Primas para la Producción de Biodiesel



ACEITES

ACEITES VEGETALES ALTERNATIVOS

Brassica Carinata EstándarBrassica Carinata (Bajo y Alto Erúcico)

ACEITES VEGETALESDE SEMILLAS

Aceite de Girasol CrudoAceite de Girasol WinterizadoAceite de Girasol Decolorado

Aceite de Girasol Neutralizado y SecoAceite de Girasol Refinado

Aceite de Colza CrudoAceite de Colza Refinado

ACEITES VEGETALESDE FINAL DE CAMPAÑA

Aceite de oliva crudo

ACEITES DE FRITURA

ACEITES MODIFICADOSGENETICAMENTE

Aceite de Girasol Alto Oleico



PROCESO DEOBTENCIÓN DE

BIODIESEL

ANÁLISIS DE LASMATERIAS PRIMAS

ANÁLISIS DELPROCESO

INTEGRADO



ANÁLISIS DEL PROCESO INTEGRADO



Condiciones de ReacciónEmpresa

P (atm) T (ºC) Catalizador Operación

Comprimo/Vogel and Noot 1 Ambiente KOH BatchIdaho University 1 Ambiente KOH Batch

Novamont/Technimont 1 > Ambiente Orgánico BatchConneman/Feld and Hahn 1 60-70 NaOH Continuo

Lurgi 1 60-70 Básico ContinuoIFP/Sofiproteal 1 50-130 Básico/Ácido Batch

Gratech 3.5 95 - ContinuoDesmet 50 200 No-básico Continuo

BDI 1 30-60 Básico BatchTotal Fina 40 220 TiO2

soportadoBatch-

ContinuoOtros: Oleofina, Procter & Gamble, ME KFT, AT Agrar

Procesos de Biodiesel



MATERIAS PRIMAS

- Metanol/Etanol

- Aceites fritos- Aceite de girasol- Brassica carinata

TRANSESTE-RIFICACIÓN

ALCOHOL

BIODIESEL

GLICERINA

SALES BÁSICAS

GLICÉRIDOS

SEPARACION

ALCOHOL

GLICERINA

BIODIESEL

ACONDICIONAMIENTO

PURIFICACIÓN

GLICERINA (82%)ÁcidosGrasos

FosfatoPotásico

BIODIESEL PURIFICADO

RECUPERACIÓN

- Catalizador

Proceso Integrado BIODIESEL UCM-IDAE



DIAGRAMA DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE BIODIESEL



Proceso Integrado Biodiesel UCM

3. SECADO3. SECADO

2. DEPURACION

FASE

BIO

DIE

SEL

Metanol+ Agua

Ácido Mineral

Agua

1. TRANSESTERIFICACION

CatalizadorBásico

Tanques almacenamiento

ACEITE DE FRITURA

Tanque almacenamiento

METANOL

FASE GLICERINA

Ácido Mineral

4. DESDOBLAMIENTO

Tanques almacenamientoBIODIESEL

Ácidos GrasosSales Básicas

GLICERINA PURATanque almacenamiento



Producción de Biodiesel en la UE

226 %32,7 %3.396.0001.504.0001.133.800Total EU 25

186 %1,7 %130.00070.000**68.800Rep. Checa

0 %0 %000Polonia

228 %34,6 %3.266.0001.434.0001.065.000Total EU 15

0 %0 %1.0001.0001.000Suecia

5583 %----335.0006.0000España

556 %200 %50.0009.0003.000Reino Unido

250 %28 %80.00032.00025.000Austria

22 %310 %50.00041.00010.000Dinamarca

165 %30 %450.000273.000210.000Italia

140 %- 2,5 %500.000357.000360.000Francia

252 %58,9 %1.800.000715.000450.000Alemania

Crecimiento2003 - 2005

Crecimiento2002 - 2003

2005 (t)2003 (t)2002 (t)País

* Margen de error +/- 5

** Estimación 2003 de su M. de Agricultura



PLANTA DE PRODUCCIÓN INTEGRADA DE BIODIESEL

ALCALÁ DE HENARES (MADRID)







IMPACTO MEDIAMBIENTAL DEL BIODIESEL



Biodegradable.No tóxico.Reducción de la importación de crudos.Perfil de emisiones contaminantes inferior al gasóleo.Energía renovable que contribuye a disminuir el efecto invernadero.

Impacto Medioambiental del Biodiesel



Semilla alternativas locales y más rentables: Brassica carinata, Sinapis alba, Camelina sativa etc.

Aceites de fritura usados.

Desarrollo de nuevos catalizadores para el proceso.

Transesterificación con etanol obtenido a partir de biomasa.

Desarrollo de especificaciones que garanticen la calidad del biodiesel.

Utilización de biodiesel en medio ambientes sensibles: zonas marinas, lagos, parques nacionales, grandes ciudades etc.

Optimación de los procesos.

Valorización de la glicerina.

Biodiesel. Perspectivas Futuras



- Cumpliendo las Actas de la Unión Europea. EPACT (1992). ECRA (1998).

• Reduce el calentamiento global del Planeta.

- Balance energético positivo (3,24:1).- 80 % del ciclo de vida decrece en CO2.- Producto biodegradable: Se degrada el 85% en 28 días.- Reduce el CO2 en el ambiente, ayudando a cumplir el protocolo de Kioto.

• Desarrollo local y regional.- Cohesión económica y social.- Creación de puestos de trabajo.

• Industrial.- Utilización en motores, quemadores y turbinas.- Utilización en flotas de autobuses, taxis y maquinaria agrícola.

• Reducción de la importación de combustibles.• Menor impacto ambiental:

• Favorece el mercado doméstico.

•`Seguridad energética

• Desarrollo sostenible en agricultura y en energía.

- Mejor calidad del aire.- Efectos positivos para la salud: reduce la emisión de compuestos cancerígenos como PAH y nPAH.- Reducción de las emisiones contaminantes: SO2, partículas, humos visibles, hidrocarburos y compuestos aromáticos.

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