ITESM, Campus Santa Fe

Departamento de Mecatrónica y Desarrollo Sustentable

Manejo de Recursos Naturales y Cambio Climático

Prof. Eugenio Quiroz

19/11/2014

Proyecto Final: Generación de Energéticos a partir de Algas y Bacterias

Contenido Introducción 1 Panorama Energético de México 2 Antecedentes del Diesel 4 Biodiesel 7 Desarrollo9 Impacto Social 11 Impacto Económico 12 Impacto Ambiental 13 Conclusión y Referencias14

Introducción

La soberanía en satisfacción de la demanda energética es, de acuerdo a la Organización

para el Desarrollo y la Cooperación Económica, uno de los principales indicadores para el

desarrollo social que presenta un país o estado. Esta se cubre con diversas fuentes de

generación de energía eléctrica y combustibles, además de un pequeño porcentaje de

importaciones. En México, a pesar de que desde el año 2005 se cuenta con cobertura de

energía eléctrica a más del 96% de la población, los retos para enfrentar la creciente

problemática energética son varios. ¿Cuál es la situación actual, y como se prepara el

país para satisfacer la demanda energética del país? ¿Cómo puede nuestro país

convertirse en un caso de éxito a partir de la investigación en combustibles alternativos?

¿Existe alguna tecnología escalable capaz de ser competitiva con los actuales

combustibles fósiles? Creemos que sí, y en nuestro proyecto explicaremos en qué

consiste.

Panorama Energético General:

En México existen cerca de 118.4 millones de habitantes, y de acuerdo con datos de la

Agencia de Información en Energía de Estados Unidos, a 2012 nuestro país consume

anualmente 2.297 billones KWH, o bien, el equivalente energético a 1,350 millones de

barriles de petróleo (BoE) destinados a abastecernos de energía de todo tipo. Si

analizamos esta información y para dimensionar los datos, encontramos con que la huella

energética anual de una familia promedio de 4 habitantes es de cerca de 77,585 KWH,

equivalente energético a que cada familia en México consuma 45.69 BoE; o aún más

claramente, que reciba un tambo lleno de petróleo (poco menos de 200 litros) cada 3

meses para abastecerse exclusivamente de energía eléctrica. La analogía funciona tanto

para tener una idea del consumo de energía en nuestro país, como para entender la

importancia del concepto de “combustible”.

Históricamente, la humanidad ha hecho uso de recursos externos

de energía en el momento y lugar que la necesita. Después de la

revolución industrial, se encontró la forma más práctica y eficiente

de explotar los recursos energéticos del planeta. Los combustibles.

Y es justo en este tema donde las energías renovables tienden a

encontrar su mayor problemática. No es complicado generar energía, el verdadero reto

consiste en almacenarla, transportarla, y utilizarla cuando el consumidor así lo desee. De

entre todas las nuevas tecnologías y tendencias a nivel global, ¿hay alguna que se

destaque por su practicidad y, de cierta forma, similitud con los combustibles fósiles a los

que nuestra sociedad se ve tan apegada? Sí, los biocombustibles. Estos son todos

aquellos tipos de combustible que deriven de la biomasa (aunque técnicamente, tanto el

petróleo como el carbón y el gas natural también provienen de seres alguna vez vivos).

México, habiendo ligado históricamente su bienestar económico a la exportación e

importación de crudo y combustibles, debe apostar por nuevas fuentes de generación de

energía. A continuación se enlistan 3 fuentes de diversos medios que apoyan esta

posición:

1) Baja en el precio del petroleo

México y Venezuela son de los paises de latinoamerica productores de petróleo

que deben estar preparados para una mayor competencia internacional, invirtiendo

para enfrentar los avances productivos en el sector energético de Estados Unidos y

Canadá.

El desarrollo tecnológico de Estados Unidos ha permitido extraer petróleo de

zonas que se creían escasas o no viables económicamente para su aprovechamiento,

esto ha comenzado a afectar a los países latinoamerica. Actualmente Estados Unidos

se ha convertido en un exportador de energía, particularmente de productos refinados

del petróleo y gas.

México tuvo una baja en la venta de crudo durante 2008­2013, de 1.3 millones

de barriles/día a 919 mil barriles/día. Con esto en mente México ha comenzado a

diversificar las ventas de crudo a Europa y Asia, principalmente, de esta manera

aminorar la dependencia hacia Estados Unidos.

2. Pérdidas Económicas de PEMEX: Petróleos Mexicanos reportó, en su tercer

informe trimestral del año, una pérdida de más de 59 mil millones de pesos, lo

cuál significa un incremento de 52% con respecto al resultado negativo del

periodo 2013.

3. Competitividad Nacional: Con la reciente aprobación de la Reforma

Energética, diversas empresas de todo el mundo intentarán formar parte del

mercado energético mexicano. El país no puede quedar rezagado en términos

de avances tecnológicos y diversificación de la matriz energética. En el futuro

cercano, cuando los actuales consorcios mexicanos de energía encuentren

dificultades para seguir subsistiendo con base en combustibles fósiles,

¿pondremos nuestra soberanía energética en manos de empresas extranjeras?

Hoy en día, México depende del petróleo, carbón y gas natural en un 94% para

la generación de su total de energía. Como referencia, en la siguiente gráfica vemos la

composición de la generación de electricidad en México.

De acuerdo con los datos estadísticos de la CFE al 2008 la generación se

distribuye de la siguiente manera:

48.8% Gas natural

18.3% Combustóleo

16.5% Centrales hidroeléctricas

8.9% Carbón

4.2% Energía nuclear

3.5% Geotermia, viento, diesel

Con datos del Banco Mundial y la Agencia para la Información en Energía de Estados

Unidos, México genera anualmente una media de 1,500 millones de Barriles de

Petróleo Equivalente. ¿Como empezar a bajar esa cantidad? La acción más eficiente

es analizar de forma enfocada un solo sector. En México, el 28% de toda la energía

consumida en el país es en Transporte, donde los principales combustibles son

gasolina, diesel y turbosina. Para nuestro proyecto, decidimos enfocarnos en encontrar

una alternativa innovadora y rentable para atacar este sector.

Antecedentes Del Diesel

Nombrado así en honor a Rudolf Diesel quien en 1897 diseñó el primer motor

con su homónimo, y funcionaba con aceite de cacahuate. El diesel juega uno de los

papeles más importantes en la industria y el transporte en en día, tan sólo en Estados

Unidos el 95% de su vehículos de transporte y carga pesada usan diesel, cada día son

transportados 28 millones de personas y 18 millones de toneladas son transportadas.

La importancia de este tipo de motores sobre los convencionales de gasolina

esta en la eficiencia que puede llegar hasta el 200% más, y tener un periodo de vida de

hasta el 300% más, comparados con la gasolina.

Beneficios y preocupaciones del Diesel

Existen beneficios muy importantes del diesel sobre los motores de este tipo

entre los que destacan:

1. Los motores diesel son las máquinas térmicas más eficientes que cualquier

motor de combustión.

2. Mejora la lubricación del motor.

3. El contenido de azufre es bajo.

4. Reduce las emisiones de hidrocarburos y de monóxido de carbono.

5. También reduce las emisiones neta de dióxido de carbono.

6. No es tóxico.

7. Biodegradable.

Sin embargo también existen algunas preocupaciones que han surgido entorno a

este combustible:

1. Se necesitan motores con materiales acondicionados a su uso.

2. Aumenta las emisiones de óxidos nitrosos NOX

3. Respecto a su almacenamiento y manejo.

4. El costo es mayor.

Biodiesel

La necesidad de comenzar a usar el aceite para hacer diesel, proviene de que el la

principal fuente de producción de este combustible es el petróleo, que cuenta con baja

viscosidad a diferencia de los aceites. Esto presenta una ventaja ya que los motores diesel

funcionan mejor con una baja viscosidad.

En 1937 G. Chavanne, propuso la transesterificación como proceso para hacer de los

aceites vegetales alcaestéres, y de esta manera utilizarlos como sustituto del diesel proveniente

del petróleo. Este proceso consiste en reducir las moléculas de aceite (3) para poder reducir su

viscosidad y poder hacer una fácil combustión. En la figura 2 se muestra la reacción química

llevada a cabo durante la transesterificación.

figura 2. Reacción química en la elaboración de biodiesel.

En la reacción se utilizan los triglicéridos del aceite y el metanol como reactivos, produciendo

glicerina y metilestéres

Desarrollo

Biodiesel a partir de algas.

Para el proceso de obtención de biodiesel es necesario tener grandes cantidades de

aceite vegetal, sin embargo esto ha presentado un dilema entre las naciones ya que mientras

existen países que dedican miles de hectáreas de cultivo para la obtener el aceite necesario

para el biodiesel, existen naciones que se encuentran en una crisis alimentaria. En otras

palabras, cómo es posible destinar cultivos para la generación de energía cuando gran parte de

la población mundial muere de hambre todos los días.

Es por eso que se han desarrollado diferentes investigaciones con el propósito de

encontrar otras fuentes de aceite que sirvan como materia prima para el proceso de

transesterificación. El más destacado y prometedor es el producido por algas o cyanobacterias.

Existen muchas oportunidades de desarrollo con las algas, y es que pueden trabajarse a

gran escala, tienen una alta productividad. Para conocer un poco más acerca de la

cyanobacteria explicaremos qué es, y su impacto en la tierra.

Es una alga unicelular perteneciente al reino de las plantas, practica la fotosíntesis al

igual que las demás plantas, de hecho es un gran sumidero de nitrógeno ( N2.). Por el tiempo

que lleva existiendo en la tierra, aproximadamente unos 2.8x109 años, se encuentra en casi

todos los ecosistemas.

El uso de estos organismos han sido variados para las industrias ya que se ha

aprovechado su azúcar para procesos de fermentación, los lípidos para la elaboración del

biodiesel, y sus cepas en el desarrollo de la ingeniería genética.

La metodología propuesta en este caso para avanzar en la investigación del biodiesel a

partir de algas consiste en:

1. Recolectar muestras, de estanques, mares u otros lugares donde se encuentren

algas.

2. Aislar las cepas que se encargan del proceso

3. Identificarlas y catalogarlas las cepas

4. Experimento en laboratorio: Realizar experimentos bajo condiciones controladas

de temperatura, presión

5. Experimento de campo: Una vez pasada la prueba de laboratorio, repetir el

experimento en condiciones naturales, o al aire libre.

6. Con los resultados, repetir a gran escala el proyecto.

Comparando los porcentajes de aceite de los que se compone el alga, estos pueden

llegar hasta un 60% de aceite, esto es mucho más contenido de aceite comparado con la

canola, soya y la palma. Con este porcentaje de aceite, se obtiene que en 2.5 hectáreas, se

puede obtener hasta 5,000 galones de aceite.

Una vez determinado el tipo de algo a usar o cepa que se modifica, es posible resumir el

proceso de elaboración de biodiesel en el siguiente diagrama

Crecimiento de algas

Cosecha o

recolección de algas

Extracción

Concentración

Impacto social

Se ha considerado diferentes perspectivas sobre el impacto que puede llegar a tener la

implementación de biocombustibles, ya que los que se encuentran en contra, argumentan que

el dedicar areas de plantación para la generación de energía mientras muchos mueren de

hambre no es lo indicado.

Sin embargo el cultivo de algas para la obtención de biodiesel evita este problema, ya

que no desplaza terrenos de cultivo por lo que se pueden mantener como viabilidad para el

desarrollo de biocombustibles.

El impacto que tiene el uso de biocombustible provenientes de algas sobre la sociedad

es positivo, ya que al redicr las emisiones de contaminantes tales como CO2 o CO, la calidad de

vida de las personas se eleva, reafirmando el derecho universal a un medio ambiente sano. Sin

embargo y más allá del tema ambiental, la implementación de este proyecto generaría empleos

calificados en las zonas establecidas, fomentaría la profesionalización del talento mexicano y la

competitividad de la industria energética mexicana.

Un proyecto como este permite también, en una primera etapa y en los poblados

mexicanos donde ya se cultiva alga spirulina, que el productor agrícola autoabastecerse de

combustible; además, su producción promueve la inclusión social de los habitantes menos

favorecidos del sector rural, debido a que no requiere altos niveles de inversión

Impacto económico

Actualmente existen casos de éxito de proyectos como el que ahora se propone, siendo el más

exitoso de ellos probablemente Sapphire Energy, y su complejo de biorefinería en Nuevo

México. Sapphire Energy ha demostrado en menos de 5 años que es económicamente viable

emprender en el campo de la ingeniería biológica, ya que actualmente dedica un gran

porcentaje de sus ganancias a investigación para modificar sus cultivos de algas para hacerlas

mas eficientes. Actualmente cuentan con 100 acres instalados

donde producen más de 1 millón de galones de turbosina y

diesel al año (CNE), de acuerdo a su página oficial.

Dentro de sus planes de expansión, se incluye aumentar la

productividad de esta misma planta para el año 2018 para

alcanzar una capácidad de producción de 5,000 barriles al día.

Al día de hoy, Sapphire Energy cuenta con el apoyo de empresarios e inversionistas, entre ellos

el gigante de ingeniería agrícola Monsanto.

Impacto ambiental

Siguiendo con el ejemplo de Sapphire Energy, en su portal comparten algunos impactos

ambientales que han logrado con su complejo en Nuevo México. Con la cantidad de biodiesel

que producen hoy en día, se ha logrado una reducción en la emisión de gases de efecto

invernadero del ciclo de vida del combustible (esto es, considerando desde la obtención de la

materia prima, la refinación, el transporte, uso y disposición final en la atmósfera) de entre el

60% y el 70% comparado con combustibles fósiles convencionales. También, en

comparaciones con los efectos que se tendrían si la misma cantidad de combustible fuera

producido con biocombustibles derivados del maíz, se hace notar que se ahorran más de 300

acres de tierras que ahora están siendo cultivadas para alimento. Sobra decir que los 100 acres

done Sapphire Energy instaló su complejo es una tierra inerte en el desierto de Nuevo México.

(CNE)

Entre las bondades ambientales que el biodiesel derivado de algas presenta, está el que

después de su uso los residuos generados biodiésel se degradan de 4 a 5 veces más rápido

que el diésel fósil; además el biodiesel tiene usos alternativos como solvente para limpiar

derrames de diésel fósil. Prácticamente no contiene azufre, por lo que no genera SO2 (dióxido

de azufre), un gas que contribuye en forma significativa a la contaminación ambiental . El

Consejo Internacional de Transporte Limpio (ICCT, por sus siglas en inglés) está considerando

al azufre como el “plomo” del próximo siglo . Actualmente en todas partes las legislaciones

están exigiendo disminuir el contenido de azufre del diésel, de manera que este sea Low

sulpher diesel o LSD (diésel de bajo contenido de azufre) . El LSD tiene un menor grado de

lubricidad que el diésel, por lo que es más necesario adicionarle biodiésel .(CNE)

Esta técnica de obtención de biodiésel no contamina fuentes de agua superficial ni acuíferos

subterráneos, aunque es importante resaltar que si el biodiésel de baja calidad (con un bajo

número de cetano) puede incrementar las emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno), pero si el

número de cetano es mayor que 68, las emisiones de NOx serían iguales o menores que las

provenientes del diésel fósil .(CNE)

Conclusión

El futuro panorama energético para nuestro país luce incierto. Si bien es cierto que las

reformas estructurales tienen el potencial de fomentar la libre competencia y

participación en el mercado, la falta de incentivos para futuros a largo plazo es

preocupante. Nuestro equipo hace las siguientes observaciones:

1. La solución a la problemática energética en México no se encuentra en una sola tecnología innovadora

2. Debemos administrar los recursos actuales y dirigirlos hacia una transición

sostenible.

3. Se necesitan incentivos económicos a nuevas tecnologías (un impuesto sobre emisiones de CO2 puede ser fundamental)

4. Se debe fomentar la vinculación académica­empresarial en el área de

investigación

Referencias

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Susan Golden. “Where do we go from here?”. Professor of Molecular Biology, University

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Dr. Robert Pomeroy. “Biodiesel Chemistry and Analysis”. Department of Chemistry and

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Future” ­ coursera.org