Estado de Jalisco
BIODIESEL
Energético para el Autotransporte
Público del Estado de Jalisco
Revisado por:
Dr. Mauricio Alcocer Ruthling (Centro de Energía Renovable UAG)
Solicitado por:
Consejo Económico y Social del Estado de Jalisco (CESJAL)
Financiado por:
Consejo Económico y Social del Estado de Jalisco (CESJAL)
Este documento ha sido preparado a solicitud del Consejo Económico y Social del Estado de Jalisco (CESJAL), por encargo y financiado por el Consejo Económico y Social del Estado de Jalisco (CESJAL), y fue elaborado por consultores externos. Se autoriza la reproducción parcial o total, siempre y cuando se cite la fuente de referencia.
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ÍNDICE
... Antecedentes 6 ... Introducción 6 ... Situación Actual de la Industria Aceitera en México 7...
Fin de la Era del Petróleo 10
...
Peak Oil 12
... La Historia de Producción de Petróleo en México 16
...
Precios del Petróleo vs Precios del Biodiesel 19
...
Cambio Climático 20
...
Efectos del Calentamiento Global a la Fecha 21
...
La Dimensión Humana 22
...
Acciones a Tomar 22
... El Biodiesel Como Respuesta al Cambio Climático 23
...
Transporte Público en Jalisco 24
...
El Biodiesel 26
...
Rudolph Diesel 26
...
Combustión del Diesel 27
... Cetanaje 27 ... Contenido Energético 28 ... Emisiones 29 ... Conversión del Triglicérido en Biodiesel (Transesterificación) 29
...
Transesterificación por lote (batch) 39
...
Transesterificación continua 40
...
Comparativo entre tecnologías 40
...
Resumen 41
...
Costos de Producción de Biodiesel 42
...
Producción en Pequeña Escala 43
...
El Biodiesel en México 47
...
...
Plan Nacional de Desarrollo 50
...
Programa Sectorial de Energía 50
... Programa Sectorial de Desarrollo Agropecuario y Pesquero 51
... Programa Sectorial de la Secretaría de Medio Ambiente 52
... Estrategia Intersecretarial de los Bioenergéticos 52
...
Plan Estatal de Desarrollo Jalisco 2030 52
Programa Jalisco para el Mejoramiento de la Calidad del Aire “Mejor
Atmósfera” 2007 - 2012 ...53
...
Uso de Biodiesel en el Transporte Público 59
... Antecedentes 59 ... Efectos Directos 61 ... Efectos Indirectos 64 ... Pruebas de Opacidad 64 ... Pruebas de Rendimiento 68 ...
Uso del Biodiesel 73
...
Costo de Mantenimiento 73
...
Garantía de las Unidades 75
...
Regulación y Control del Biodiesel 76
... Conclusiones 78 ... Perspectiva Técnica 78 ... Perspectiva Económica 79 ... Perspectiva Ambiental 79 ... Perspectiva Operacional 80 ... Agradecimientos 81 ... Bibliografía 83
ANTECEDENTES
Introducción
Este documento pretende resolver varias de las incógnitas alrededor del tema de la producción y utilización del biodiesel, además busca desarrollar una visión de lo que podrían ser algunos escenarios en los cuales la producción de biodiesel y su uso representarán una opción económicamente viable y sustentable, buscando así el desarrollo de una industria nueva, la cual podría jugar un papel fundamental en la oferta de los energéticos primarios requeridos para satisfacer la demanda de energía interna en el estado de Jalisco.
La realización del proyecto involucró la participación de expertos en los diferentes temas relacionados con la producción y uso del biodiesel. Estos expertos realizaron estudios de la viabilidad, del rendimiento y de las ventajas competitivas y ecológicas en la utilización de biodiesel como energético para el transporte público.
Se agradece la colaboración a través de múltiples discusiones de todos los participantes en los grupos de enfoque y en la elaboración de los anexos, que fueron una base muy importante de información en el desarrollo de este trabajo; sus nombres están listados en los anexos.
Para efectos del siguiente estudio dividiremos la industria del biodiesel en tres principales componentes:
1. Obtención de las materias primas.
2. Comercialización de los productos (biodiesel, glicerina, etc.). 3. Tecnologías y procesos de producción de biodiesel.
El presente estudio se enfocará principalmente en el segundo y tercer punto, principalmente debido a que es posible producir biodiesel y comercializar biodiesel en las condiciones actuales en el corto plazo, sin embargo para el crecimiento de la industria es necesario desarrollar el tema agrícola para el aseguramiento de la materia prima.
El principal factor a tomar en cuenta al desarrollar un proyecto de biodiesel, es el abasto de la materia prima. El biodiesel se obtiene de varias fuentes como el aceite vegetal, grasa animal, ácidos grasos residuales como las aguas jabonosas (soapstock), plantas de tratamiento de aguas y aceites residuales quemados.
México es deficitario en la producción de semillas oleaginosas, por lo que las empresas aceiteras deben importar cerca de 95%1 de las semillas para elaborar
aceites y grasas vegetales.
Recientemente Estados Unidos dispuso de cierta parte de la producción de granos para la generación de biocombustibles, generando así una demanda agregada adicional por los granos. Sin embargo la Cámara Nacional de la Industria de Aceites y Grasas Comestibles (CANIAG) no ve problemas de abasto en el corto plazo.
Situación Actual de la industria Aceitera en México:
Por las razones antes mencionadas la industria aceitera en México depende en gran medida de las importaciones de oleaginosas para elaborar sus productos. La producción de oleaginosas en México ha caído considerablemente durante el periodo 1990 - 2006. Para el año 2006, la superficie sembrada con soya en México fue de 77,636 ha, la de canola de 4,359 ha y la de cártamo fue de 94,954 ha2.
Del total de las importaciones de oleaginosas realizadas en el 2006, el 91% (5 millones de toneladas) correspondió a soya y canola, lo que representa el tamaño del mercado interno actual para estos productos y una gran oportunidad para fomentar la producción de los mismos.
1 Cámara Nacional de la Industria de Aceites y Grasas Comestibles (CANIAG), 2008 2 Comité Nacional Sistema Producto Oleaginosas, 2007
Cultivo Superficie Superficie Potencial de Cultivo
actual (Ha) potencial (Ha) Biodiesel (Lt)
Soya 0.00 10,645.00 4,747,670.00
Cártamo 3,935.00 60,000.00 46,740,000.00 Canola 519.00 121,000.00 143,990,000.00
Para abastecer la demanda interna de soya, cártamo y canola, sería necesario sembrar aproximadamente 600,000 ha de canola y cerca de 2 millones de hectáreas entre soya y cártamo al año (aproximadamente 2.6 millones de ha); mientras que la superficie actual no cubre el 7% de la demanda anual de la industria aceitera nacional.
Con el fin de dar un paso a la autosuficiencia de oleaginosas en el país, el Comité Nacional Sistema Producto Oleaginosas, ha elaborado una propuesta, mediante el Programa Nacional de Producción de Oleaginosas 2007 – 2012. Cuyo objetivo principal es:
Fomentar la Producción de las Oleaginosas en México (cártamo, soya y canola) destinada a incrementar el abasto nacional para la fabricación de aceites y grasas para el consumo humano y pastas proteicas para la alimentación animal; incrementando la producción nacional de oleaginosas para sustituir importaciones en al menos, un 30% para el año 2012.
Tabla 1.1 Potencial de Producción de Oleaginosas en Jalisco
Fuente: Programa Nacional de Producción de Oleaginosas 2007-2012 cálculos del autor
Existe en la actualidad un gran debate a nivel nacional e internacional sobre el efecto que conllevan los biocombustibles en la seguridad alimentaria, sin embargo la clave detrás de los países o modelos exitosos a nivel internacional como es el caso se Brasil en el etanol de caña y Estados Unidos en el caso del biodiesel de soya es que el negocio radica en vender los subproductos (alimentos y energéticos) y no solo en la venta del producto principal (biocombustibles). Por lo que es importante que se tenga en mente que el negocio del biodiesel es tanto
un negocio agrícola como energético.
Existen en la actualidad una serie de cuestionamientos en torno a los biocombustibles entre los que destacan la seguridad alimenticia, el balance energético del biodiesel versus el diesel fósil y si el biodiesel va a costar menos que el diesel fósil en el corto plazo. Vale la pena ubicarnos en el contexto actual y entender que estamos frente a un gran problema y ante un nuevo paradigma. El petróleo se esta acabando y es hora de buscar alternativas, el tema de alimento versus combustible es mas de índole política que alimentaria, si se promueve el uso de vehículos híbridos (diesel) y motores mas eficientes podemos hacer que el 20% del combustible de hoy se convierta en el 50% del combustible del mañana, sin necesidad de sacrificar alimentos y además México es un país netamente importador de aceite, por lo que importar unas miles de toneladas mas no sacrificarían la producción de alimentos en México.
Como se puede observar en la figura 1.2 el aceite de palma africana y la soya son las principales fuentes de aceite en el mundo. La palma africana es la oleaginosa con mayor rendimiento de aceite por hectárea (aprox. 5,000 kg) y contrariamente la soya es una de las oleaginosas con el peor rendimiento en aceite por hectárea (aprox. 375 kg), la soya se cultiva por la pasta no el aceite.
Por otro lado, la producción de biodiesel no necesariamente tiene que competir con la alimentación humana ya que existen un gran número de cultivos de los cuales se puede extraer el aceite para su posterior conversión a biodiesel, incluyendo algunos que no son aptos para el consumo humano y por lo tanto no compiten con los alimentos, como es el caso de la jatropha (Jatropha curcas L.) planta originaria de América del Norte y la higuerilla (Ricinus comunis), planta originaría de Norte de África. Estas plantas además de nos ser comestibles, pueden crecer en condiciones que no son favorables para los cultivos tradicionales.
La tecnología para producir biodiesel es útil para cualquier tipo de insumo (aceite y/o grasa) sin embargo el insumo no siempre se encuentra en las condiciones optimas para ser transformado en biodiesel. En ocasiones es necesario añadir procesos previos para purificar el aceite y así poder convertirlo en biodiesel.
Por ejemplo el aceite vegetal residual ha sido ya degradado y cuenta con un porcentaje alto de grasas libres, las cuales forman jabón en lugar de biodiesel al ser procesadas, se requiere de un sistema de purificación de esas grasas libres antes de convertir el aceite en biodiesel.
Otro ejemplo es si utilizamos un aceite crudo (sin refinar) tenemos que quitarle algunos compuestos que impiden que se realice la reacción por lo que se tendría que adquirir un sistema de refinación del aceite, pero la tecnología para producir biodiesel no se cambia para ninguno de los dos ejemplos mencionados.
Un error que comúnmente se comete es que al montar una planta de biodiesel limitan la infraestructura solo para utilizar aceites vírgenes como materia prima, este tipo de aceite es caro y su precio muy volátil, si se cuenta con infraestructura para moler el grano y recuperar las gomas (lecitina), se reducirá considerablemente el costo del aceite y la rentabilidad del proyecto aumentará. Por otro lado, es aconsejable que la planta tenga la flexibilidad de trabajar con diferentes tipos de materia prima.
En el proceso de producción de biodiesel, se pueden producir productos secundarios con un valor comercial importante. Como ejemplo, está la producción de aceite de soya, cuyo rendimiento en aceite es bajo, pero el valor de la pasta es muy alto y hace rentable la producción y por ende como el producto principal es la pasta, el aceite es muy económico.
El fin de la era del petróleo
El petróleo se ha formado durante millones de años, principalmente por que las capas donde quedaron los restos de las plantas de esas épocas quedaron sepultadas a profundidad.
Este es un recurso finito y la cantidad que existe en el planeta no puede aumentar, por lo menos no en el corto plazo, ni con la velocidad en la que lo consumimos. En menos de 150 años hemos “quemado” aproximadamente la mitad de lo que se ha formato en millones de años.
Las reservas probadas de petróleo y gas natural a nivel mundial son de alrededor de 1.2 billones de barriles3 (millones de millones), a la humanidad le tomo 140
años consumir el primer billón de barriles* de petróleo, y le tomará solo 30 años
consumir el segundo. Queda poco petróleo y esto lo estamos consumiendo a una velocidad cada vez más acelerada.
Además hay que recordar que no todo el petróleo que existe en un reservorio se puede extraer, comúnmente solo se puede extraer entre el 35% y el 40%, dependiendo del tipo de material geológico en el que se encuentre, puede estar en reservorios cuya permeabilidad sea sencilla u otros en la que no. Además, no todo el petróleo que se puede extraer resulta económicamente atractivo.
El petróleo “barato” y de “buena calidad” es cada día mas escaso. Entiéndase por “barato” el petróleo que se encuentra en grandes cantidades en un solo lugar y a poca profundidad. Entiéndase por “buena calidad” un petróleo con altos grados API (American Petroleum Institute).
La industria mundial de hidrocarburos líquidos clasifica el petróleo de acuerdo con su densidad API (parámetro internacional del Instituto Americano del Petróleo, que diferencia las calidades del crudo).
Para exportación, en México se preparan tres variedades de petróleo crudo: • Itsmo: Ligero con densidad de 33.6 grados API y 1.3% de azufre en peso.
• Maya: Pesado con densidad de 22 grados API y 3.3% de azufre en peso.
• Olmeca: Superligero con densidad de 39.3 grados API y 0.8% de azufre en
peso.
Por ejemplo, mientras que en el crudo Istmo se obtiene un rendimiento directo de 26% volumétrico de gasolina, en el Maya sólo se obtiene 15.7%4. Por esa razón el
crudo “ligero” es mas caro y mas demandado que el “pesado”, ya que se necesita menos procesamiento para obtener gasolina.
De manera similar el crudo superligero tiene un rendimiento en diesel y otros destilados medios de aproximadamente 34%, mientras que el ligero tiene 26% y el pesado solamente 22%.
3 Peter Essick, Our Energy Challenge, National Geographic, marzo 2009 * 1 barril = 158.984 L
En otras palabras por cada barril de petróleo obtenemos alrededor de 50 litros de destilados intermedios entre los que se encuentra el diesel.
A mayor densidad de grados API menor contenido energético, por ejemplo los grados API (oAPI) típicos de la gasolina se encuentran entre 50 y 60, mientras que
los del diesel se encuentran entre 30 y 405.
Un barril de petróleo (159 L) produce al refinarse:
73 L de gasolina (46%) 35 L de diesel (22%) 16 L de turbosina (10%) 9 L de combustóleo (5.5%) 26 L de compuestos varios (16.5%)
Se requieren alrededor de 2.1 barriles de petróleo para producir un barril de gasolina y 4.5 barriles para producir un barril de diesel.
Se ha estado observando tanto en México como a nivel mundial un aumento en el consumo de combustibles y una disminución en la producción, aun así hay personas que niegan que el petróleo se esté acabando y esto ha generado un debate sobre los años que quedan de reserva. lo que es un hecho es que el petróleo es un recurso finito y en algún momento vamos a cruzar el “pico” de la producción, es decir el “Peak Oil”.
Peak Oil
Peak Oil: el pico, o cenit, de la producción mundial de petróleo significa que como cualquier recurso finito la producción del petróleo tiene un máximo al que sigue un declive hasta el agotamiento.
En 1956 M. King Hubbert, geólogo de la Shell Oil, observó que la producción de todo pozo, campo o región petrolera seguía una curva en forma de campana. Hubbert estableció una metodología empírica para prever cuando ocurre el pico de la producción y publico en 1956 el documento “Nuclear Energy and the Fossil Fuels” (Drilling and Production Practices, American Petroleum Institute, Washington, DC, 1956).
Predijo que la producción de petróleo de EEUU tendría su pico en 1965 si se asumía una producción de 150 billones de barriles o en 1970 si se asumía una producción de 200 billones de barriles. El pico se dio en 1970.
5 Ondeo/Nalco fuel field manual, 2001
Dicha predicción lo llevó a ser reconocido como una autoridad en materia de estimación de recursos energéticos y su metodología a sido utilizada por un gran número de personas para predecir el pico del petróleo a nivel mundial. La siguiente gráfica muestra su predicción y la realidad en cuanto a producción de crudo.
El pico del petróleo NO significa el agotamiento del petróleo, pero significa que hemos usado la primera mitad: el crudo de mejor calidad, mas fácil de extraer y de menor costo. Es importante hacer notar que el tiempo que se tomó para utilizar la primera mitad será mucho mayor que lo que se tomará para consumir la segunda mitad.
Guy Caruso Administrador de la Energy Information Administration (EIA) del Departamento de Energía de EEUU (DOE), presentó durante la 10th Annual Asia Oil and Gas Conference en Junio del 2005, una serie de proyecciones de cuando tendría su pico la producción del petróleo a nivel mundial, el cual de acuerdo con la EIA será en el 2044.
El dilema quizá no es cuando llegaremos al pico de la producción de petróleo, sino, una vez que lleguemos con que rapidez se agotará. Como se puede apreciar en la figura anterior, una vez cruzado el pico en el 2044, el petróleo prácticamente se agotará en un lapso no mayor a 20 años.
Por lo anterior, es indispensable que se encuentren combustibles alternos que puedan asegurar la continuidad de la productividad en el mundo. Por lo que queda claro que se tiene que empezar a buscar alternativas energéticas. Esto es especialmente cierto para México puesto que ya cruzamos el pico de la producción y el de las reservas.
En las gráficas siguientes se muestra la clara disminución en las reservas de hidrocarburos en México (figura 1.5) a partir de 1983 y del igual manera se puede observar en la figura 1.6 el pico de la producción en el 2004 y su clara disminución, demostrado que México ya cruzó su pico.
Figura 1.5 Evolución de las Reservas de Hidrocarburos en México
Fuente: Elaboración Propia con datos de Pemex Refinación
Figura 1.6 Producción Promedio Anual de Crudo en México
La Historia de Producción de Petróleo en México
En el proceso histórico de la producción de petróleo en México, este tuvo un importante incremento gracias al descubrimiento del yacimiento de Cantarell, el cual fue descubierto en 1972 por un pescador (Rudesindo Cantarell) al observar una mancha de aceite que brotaba de las profundidades del mar en el Golfo de México, a unos 70 kilómetros de la costa.
El descubrimiento de Cantarell incrementó rápidamente la capacidad de producción de México. De producir 748 mil barriles diarios durante los setentas, el promedio de producción diaria del país creció hasta alcanzar 2.5 millones de barriles en la década de los ochentas, 2.8 millones en los noventas y 3.2 millones en el periodo 2000-20076. Cantarell representó el 36.7% de la producción total de
petróleo de los ochentas, el 40.8% de los noventas y el 56.8% en el periodo 2000-2007.
A partir de la explotación de este yacimiento, México despegó realmente como productor y exportador de petróleo, lo que lo ubicó por primera vez en el panorama mundial como uno de los países relevantes del mundo petrolero.
En el mes de diciembre del 2003, Cantarell alcanzó su pico de producción al promediar 2.21 millones de barriles7. Es también ese mes cuando la producción
global del país alcanzó su nivel más alto de la historia: 3 millones 454 mil barriles diarios. Por lo que a partir de inicios del 2004, Cantarell inició un proceso natural y previsto de declinación y con ello inició de igual manera el declive en la producción global de crudo en México.
La historia de los grandes yacimientos a nivel mundial muestra que una vez que éstos alcanzan su nivel máximo de producción, su declinación tiene a ser un fenómeno veloz y difícil de controlar. El desafío que impone sustituir la producción de Cantarell representa uno de los retos más grandes que PEMEX ha enfrentado en su historia.
Queda claro que la etapa del petróleo "fácil y barato" llegó a su fin. Sin embargo, ante el agotamiento de nuestro gran yacimiento, se torna indispensable acelerar los trabajos en nuevas zonas donde se sabe la existencia de petróleo, pero indudablemente en condiciones más complejas.
6 Petróleos Mexicano, 2008
7ídem
Las consecuencias de desarrollar nuevos yacimientos en zonas más inhóspitas serán múltiples: mayores costos de extracción del crudo, mayor tiempo para el desarrollo de los proyectos, inevitablemente mayor complejidad tecnológica y de ejecución, mayores requerimientos de perforación de pozos por la menor dimensión de los yacimientos, entre muchos otros.
A mediados de febrero del 2009 se publicaron varias notas donde se hacía mención al descubrimiento de un “yacimiento histórico”, ya que según certificaron empresas internacionales, Chicontepec cuenta con una reserva de 139 mil millones de barriles.
Chicontepec, el proyecto en el cual Petróleos Mexicanos ha colocado sus mayores esperanzas para ayudar a elevar la producción de crudo; presenta el problema de que el costo seria muy elevado por barril y su extracción muy difícil ya que es bajo en hidrocarburo, permeabilidad y presión.
Para dar una dimensión del reto, en Cantarell se han perforado poco más de 250 pozos, entre otras razones porque la productividad promedio por pozo de Cantarell está entre 5 y 15 mil barriles por día, mientras que en Chicontepec, la productividad promedio por pozo está entre 100 y 300 barriles por día8.
En Chicontepec, se tendrán que perforar 16,000 pozos de desarrollo en un periodo 2002-2020, cerca de 1,000 pozos por año dado que la permeabilidad de la roca (la capacidad de la roca para permitir que un fluido lo atraviese) de la zona es baja, lo que provoca que la productividad de los pozos sea baja.
De 2000 a 2007, los costos de producción de PEMEX aumentaron a una tasa promedio anual de 17%, al pasar de 3.16 a 4.36 dólares por barril9.
Tal como fue el caso del etanol en Brasil, quien ha utilizado etanol en sus gasolinas y en su estado puro como combustible desde 1931. Principalmente por su gran dependencia de petróleo extranjero, en 1975 sus importaciones de crudo llegaron al 79.5%10 del total de la demanda de crudo. Brasil se vio obligado a
resolver un gran problema en la década de los 70’s, el petróleo a nivel mundial sufrió grandes incrementos y Brasil estaba gastando sus importaciones de petróleo que lo que ganaba por sus exportaciones. Su solución fue producir mas alcohol de caña y desarrollar vehículos que lo consumieran, el resto es historia.
8ídem
9Petróleos Mexicanos, 2008
México enfrenta hoy una problemática similar, por cada barril demandado de gasolinas en 2007, solo el 58.3%11 se produjo en el país mientras el restante se
adquirió del extranjero. Es decir 4 de cada 10 litros de gasolina que se consume en el país son importados a un costo superior a 10 mil millones de dólares al
año12, los cuales podrían ir destinados a subsidios del biodiesel.
En la región Centro-Occidente (región de a la que pertenece Guadalajara) se demandan 85.121 miles de barriles diarios de petróleo crudo equivalente (mdbpe) de los cuales se producen solo 42.3, es decir se tiene que importar alrededor del 50.3%, lo cual es alrededor de un 9% mayor al promedio nacional.
Debido a la actividad industrial que en ella se desarrolla, la región Centro-Occidente es la principal consumidora de diesel y combustóleo en el país, representando el 24.2%13. Lo cual representa una gran oportunidad de negocio
para los productores de biodiesel de la zona ya que el principal mercado de diesel en México se encuentra solo a unos kilómetros de distancia.
Desde el 1° de enero del 2008, el diesel se ha incrementado hasta la fecha en 51 ocasiones, 33 en el 2008 y 17 durante el 2009 y lleva 1 en enero del 2010. Pasando de 5.93 a 8.24 lo que equivale a un incremento del 38.95% con respecto al 2008.
El Gobierno Federal implementó diversas medidas en octubre de 2008 y enero 2009, con objeto de mitigar el efecto negativo de la crisis financiera internacional sobre los trabajadores y las familias de nuestro país.
Entre las acciones más importantes en materia contracíclica se encontraban las medidas fiscales, entre ellas el congelamiento de los precios de las gasolinas, el conjunto de estas acciones significó recursos por 1.8%14 del PIB.
El gobierno federal, en conjunto con el Congreso, tomó la decisión de incrementar impuestos para amortiguar el déficit económico.
Entre 2007 y 2009 la gasolina Magna fue en promedio 13.2% más barata en México, y el diesel 26.1% que en USA. Contrario a el período 1998-2003 donde la gasolina magna fue en promedio 50% más cara en México y el diesel 25% que en USA.
11Prospectiva de petrolíferos, 2008-2017, SENER, 2008 12Petróleos Mexicanos, 2008
13Prospectiva de petrolíferos, 2008-2017, SENER, 2008 14Comunicado de Prensa 081/2009, SHCP, Diciembre 2009
Precios de Petróleo vs. Precios de Biodiesel
A finales de mayo del 2008 el biodiesel se vendía a $ 5.15 usd por galón15, el
diesel se vendía en alrededor de $ 4.73 usd por galón en EEUU16, la diferencia
entre los combustibles era de tan solo 42 centavos de dólar por galón, si consideramos que el biodiesel tiene un crédito de 1 dólar por galón, el biodiesel costaba 58 centavos de dólar mas barato que el diesel fósil.
El alto costo del barril de petróleo (arriba de los $ 100 usd / barril) y el subsidio de $ 1 usd por galón de biodiesel, en conjunto permitieron que el biodiesel fuera económicamente mas atractivo que el diesel fósil en EEUU.
A finales de julio del 2009 el precio del diesel ultra bajo en azufre (UBA) fue de $2.53 usd por galón17, el del biodiesel esa misma semana fue de $ 2.78 usd por
galón, la diferencia entre los combustibles es solo de 25 centavos de dólar, si consideramos el incentivo del dólar por galón el biodiesel costó 75 centavos mas barato que el diesel fósil. La brecha entre los combustibles cada día se hace mas pequeña.
15 USDA National Weekly Ag Energy Roundup, 2008 16 Energy Information Administration, DOE, 2009
CAMBIO CLIMÁTICO
Actualmente en el ámbito global destaca el problema del cambio climático que para algunos representa la amenaza más importante para la humanidad, sobretodo por el alcance de los impactos. Este fenómeno tiene la capacidad de afectar la actividad económica del mundo, los ecosistemas y todos los procesos productivos del planeta, y de manera importante, las afectaciones a vidas humanas.Tenemos más de 200 años de estar dependiendo de los combustibles fósiles para el desarrollo tecnológico y el crecimiento económico de la humanidad. De hecho, es evidente que estos combustibles han sido la base para el avance de la humanidad en varios ámbitos. Sin embargo, al extraer grandes cantidades de estos combustible y quemarlos, hemos alterado la composición de nuestra atmósfera, sobretodo en la cantidad de CO2. Este gas tiene la capacidad atrapar el
calor que emana de la tierra.
Fue en 1820 cuando Joseph Fourier descubrió que la atmósfera de la tierra tenía la capacidad de dejar pasar los rayos del sol pero retenía el calor que emana la tierra, y por la similitud con las propiedades de un invernadero, se le llamó efecto invernadero18.Desde ese momento y gracias a una serie de experimentos, se
descubrió que el CO2, aunque en pequeñas cantidades tiene la capacidad de
afectar de manera importante el clima de todo el planeta. En forma de analogía se podría decir que el CO2 es como el gas de una estufa, conforme aumenta o
disminuye este gas la temperatura de la tierra aumenta o disminuye.
Después se descubrió que otros gases, que están en la atmósfera también pueden absorber el calor emanado por la tierra, por esto se les llama gases de efecto invernadero (GEI). Nuestro planeta siempre ha tenido un efecto invernadero natural que ha ayudado a mantener la temperatura del planeta dentro de los rangos necesarios para que exista vida con toda su diversidad.
La actividad humana ha aumentado las cantidades de los GEI a nivel mundial, cambiando de manera importante las cantidades naturales de estos elementos. Con el descubrimiento de la gran cantidad de energía guardada en los combustibles fósiles y la capacidad de enfocar esa energía para poner en movimiento grandes máquinas, el hombre pasó de ser agricultor y ganadero a industrial, y desde finales del siglo XVIII, se han estado vertiendo grandes cantidades de CO2 a la atmósfera. Desde mediados del siglo pasado, se había
visto que este aumento en las cantidades de GEI en la atmósfera
Las emisiones de GEI siguen aumentando a pesar de los esfuerzos que se han hecho a nivel mundial por mitigar estos. El problema es que las emisiones no han disminuido, esto a pesar de los esfuerzos mundiales que se han hecho por crear consciencia y por lograr un disminución de emisiones significante. Un ejemplo de esto, es que a nivel mundial han incrementado un 27% y tan solo en Asia las emisiones de CO2 han aumentado un 75% entre 1990 y 200419.
Como consecuencia los gases invernadero están a su nivel más alto en los últimos 420,000 años. Esto lo sabemos gracias a las burbujas de aire que han quedado atrapadas en el hielo del antártico y que son analizadas una vez que éste se derrite.
Cada ser humano tiene una huella de carbono que se va formando de acuerdo a la manera en que utiliza la energía, de manera directa o indirecta. La manera en que utilizamos la energía eléctrica tiene un efecto directo, puesto que el 24% de las emisiones de GEI en México, se deben a la generación de energía eléctrica. Otra actividad que adiciona a nuestra huella de carbono es la manera en que nos transportamos, esta actividad aporta el 18% de los GEI en nuestro país. Inclusive los alimentos que consumimos, la ropa que usamos y los aparatos eléctricos van adicionando a nuestra huella de carbono.
Efectos del calentamiento global a la fecha
Todas estas actividades humanas ya están surtiendo efecto sobre nuestro planeta. Uno de los más notables es el incremento en la temperatura a nivel mundial, hasta el momento, la temperatura mundial se ha elevado 0.74° C. Además del incremento en la temperatura, la velocidad a la que está sucediendo esto, demuestra que nuestro mundo se está calentando como no se había visto en los últimos mil años. Como dato relacionado a esto, la década de los noventa ha sido la más calurosa en el último milenio. Así también, aunque las temperaturas durante el invierno en Norte América han sido bajas, en general la temperatura promedio ha estado muy por encima de lo normal, hasta 1.5° C.
La Dimensión Humana
Desafortunadamente, el cambio climático ya no es el cuento de un problema del futuro, ya está afectando a la humanidad y a su entorno natural. En publicaciones recientes, se estima que al año mueren más de 300,000 personas al año a causa del cambio climático. Económicamente, esto representa un desafío ya que los fondos que estaban destinados al crecimiento de las naciones, se tendrán que destinar a acciones para hacer frente a los impactos del cambio climático.
Uno de los problemas que conlleva el cambio climático para la salud humana son las olas de calor, que son temporadas en que la temperatura ambiente se mantiene alta. En los últimos años se ha notado que las olas de calor han sido más prolongadas e intensas, sobretodo en las grandes ciudades. Durante los veranos de 1995 y 1998, en todo el mundo desde la India hasta los Estados Unidos, se vio un incremento en muertes ocasionadas por exceso de calor. Tan sólo en el mes de mayo de este año en la India murieron más de mil 300 personas a causa del calor excesivo. Durante el año de 2003, durante una ola de calor que se presentó durante el mes de agosto, murieron 30,000 personas; tan solo 15,000 en Francia.
Acciones a tomar
La Estrategia Nacional de Acción Climática indica que el costo de las medidas preventivas de mitigación y adaptación podrían corresponder al 1% del producto interno bruto mundial. Por otro lado, en caso de no tomar acciones preventivas se estima que el costo negativo de los efectos podría implicar hasta el 10% del PIB mundial.
Es indispensable reducir nuestra huella de carbono, lo que significa bajar nuestras emisiones de gases de efecto invernadero, esto se logra haciendo un uso más racional de las diferentes formas de energía. Tan solo la producción de energía eléctrica constituye un 24% de las emisiones de gases de efecto invernadero en México.
Otra fuente importante de emisiones es el transporteel uso del automóvil produce dos toneladas de CO2 al año aproximadamente, 5 Kg/día, aquí es donde los
biocombustibles se convierten en una opción para reducir la emisiones. De acuerdo con información oficial de la Secretaría del Medio Ambiente para el Desarrollo Sustentable del Estado de Jalisco (SEMADES), los vehículos automotores aportan aproximadamente el 89.8%20 de los contaminantes donde el
transporte público aporta alrededor del 5.47%.
20 Programa “Mejor Atmósfera” SEMADES, 2008
El Biodiesel Como Respuesta al Cambio Climático
La Convención Marco sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas (UNPCCC) establece una metodología en la cual se puede demostrar la reducción de GEI mediante el uso del biodiesel, dicha metodología es la AM0047. La quema de 500 litros de diesel equivale aproximadamente a 1 tonelada de CO2, por lo que
se puede acreditar un certificado de reducción de emisión (CER) o a lo que es igual un bono de carbono.
Si consideramos el CER a un precio de venta promedio de € 13.87 ($ 261.00 pesos) y consideramos que una tonelada de biodiesel equivale a 2 CER’s, encontramos que es posible obtener un ingreso aproximado de $0.47 pesos por cada litro de biodiesel que vendamos. Aumentando así la competitividad del producto.
En el 2002, las emisiones totales de gases de efecto invernadero en unidades de CO2 equivalente del sector del transporte fueron de 114,385 Gg21 lo cual
representa alrededor del 18% del total de las emisiones (643,183 Gg22). Reducir
las emisiones en este sector tendría un gran impacto en las emisiones totales, representando así un área de oportunidad para que México cumpla sus objetivos de reducción de emisiones.
En el marco del Día Mundial del Medio Ambiente, el Presidente Felipe Calderón Hinojosa, anunció la puesta en marcha del Programa Especial de Cambio Climático (PECC), que tiene como objetivo el compromiso de México por reducir la emisión de 50 millones de toneladas de bióxido de carbono para el año 2012, mostrado el compromiso del Gobierno en la lucha contra este problema mundial. En mayo del 2007 el Gobierno Federal presentó la Estrategia Nacional de Cambio Climático (ENACC), la cual identifica un conjunto de oportunidades de reducción de emisiones. A partir de ello se publicó en junio del 2009 el PECC, por medio del cual diferentes organismos de la Administración Pública Federal (APF) se comprometen a incluir en sus planes de trabajo objetivos, estrategias, líneas de acción y metas para mitigar las emisiones de GEI, para el periodo 2008–2012. En dicho programa, bajo el rubro de “Mitigación” se establecen una serie de objetivos para reducir las emisiones GEI, específicamente se menciona el uso biocombustibles como forma de mitigación, el PECC dice lo siguiente:
21 Un gigagramo equivale a 1,000 toneladas.
Objetivo 2.1.3 Fomentar la producción y uso sustentable de biocombustibles en
México como una alternativa tecnológica baja en carbono.
Metas
• M.6 Elaborar la estrategia intersecretarial nacional de bioenergéticos, en
2009.
• M.7 Definir los criterios de sustentabilidad para evaluar el desempeño de las
diferentes tecnologías de producción de biocombustibles, en 2010.
• M.8 Reconvertir 300,000 de hectáreas a cultivos que sirvan de insumos en la
producción de biocombustibles, durante el periodo 2008-2012, sin comprometer la seguridad alimentaria o la integridad de los ecosistemas. • M.9 Adecuar la infraestructura para incluir etanol anhidro en las gasolinas de
la ciudad de Guadalajara, entre 2009 y 2012.
En términos generales las medidas de mitigación de emisiones caen más en el ámbito federal que en el estatal, según lo establecido en al artículo 5 de la Ley de Bienes Nacionales. A pesar de que en materia de uso de combustibles es poco lo que puede hacer el estado para emprender acciones de lucha contra el cambio climático, si puede actuar en materia de transporte. Por ejemplo, fomentando el uso de biodiesel en el transporte público.
La demanda de transporte se incrementa con el crecimiento de la economía del país. Para la mayoría de los países en vías de desarrollo, el factor clave en el análisis de alternativas de mitigación de los GEI, debe de considerar aspectos como el precio de los combustibles, planeación del transporte, manejo logístico del desplazamiento, mezcla de equipos en el transporte, donde las acciones para la mitigación deberán contener estrategias que incrementen la eficiencia del transporte y sustitución de los combustibles convencionales por combustibles mas limpios, como sería el caso del biodiesel.
Transporte Público en Jalisco
El transporte público en Jalisco cuenta con 5,003 unidades23 las cuales se
encuentran distribuidas de la siguiente manera:
23 Centro Estatal de Investigación de la Vialidad y el Transporte (CEIT), 2009
SERVICIO METROPOLITANO SERVICIO METROPOLITANO SERVICIO METROPOLITANO SERVICIO METROPOLITANO
PRESTADOR DEL SERVICIO P. VEHICULAR ASIGNADO P. VEHICULAR ASIGNADO DISCAPACITADOS
SERVICIOS Y TRANSPORTES 598 135 6
SISTECOZOME DIESEL 170 170 0
SISTECOZOME ELÉCTRICO 109 109 0
SISTECOZOME SUBROGADO 1,871 1,871 211
ALIANZA DE CAMIONEROS 1,324 1,324 146
LINEA TAPATIA 74 74 11
TUTSA 93 93 12
CARACTERÍSTICAS ESPECIALES 141 141 15
TRANSPORTES STA. ANITA 92 92 0
SUDETUR 0 0 0
SITEUR 23 23 0
MACROBÚS BRT 40 40 0
MACROBÚS ALIMENTADORAS 103 103 0
SERVICIOS Y TRANSPORTES SUB 40 15 0
401
Si consideramos un consumo promedio de 85 litros de diesel por día, encontraremos que el transporte público en la zona metropolitana de Guadalajara (ZMG) consume alrededor de 425,255 litros de diesel diariamente, lo que equivaldría a alrededor de 1,139.68 toneladas de CO2, considerando que un litro
de diesel emite 2.68 kg de CO224.
Si se utilizara el aceite vegetal usado (AVU) que genera la ZMG, en el transporte público de la ZMG, podríamos abastecer a todo el parque vehicular público con el B30 (mezcla de 30% biodiesel en 70% diesel) y podríamos evitar la emisión de alrededor de 296.28 toneladas diarias de CO2, representando el 26% de las
emisiones de CO2 del transporte público.
Dicha acción contribuiría con una reducción de emisiones anuales aproximadas de 108,142.74 toneladas de CO2e, aportando alrededor del 0.22% de la meta fijada
por el Presidente Felipe Calderón.
EL BIODIESEL
Rudolph Diesel
En esta sección se analizará el motor diesel y el porque el biodiesel de las ventajas del biodiesel comparado con el diesel fósil.
Iniciaremos con la historia de Rudolf Christian Karl Diesel, cuyo invento revolucionó el transporte de carga de la época. Diesel nació en París en 1858, pero era hijo de inmigrantes alemanes. En 1870 la familia Diesel tuvo que abandonar Francia al estallar la guerra franco-prusiana, y Rudolf fue enviado a Augsburgo en Alemania.
Rudolph Diesel estudió Ingeniería en la Universidad Tecnológica de Munich, donde tuvo la oportunidad de estudiar termodinámica bajo la tutela del Dr. Karl Von Linde, quien inventó el primer sistema de refrigeración funcional, basado en el ciclo de Carnot, el cual desde el punto de vista termodinámico es el mas eficiente.
La máquina de vapor era la principal fuente motriz de la época, Diesel motivado por la inquietud de apoyar al desarrollo de pequeños empresarios se fijó la meta de construir un motor que fuera mas eficiente que la máquina de vapor de la época, inspirado por Linde optó por desarrollar un motor cuyo ciclo termodinámico fuera lo mas parecido al ciclo de Carnot. El resultado es el motor que hoy todos conocemos como “motor diesel”.
Cabe señalar que el motor diesel fue diseñado para utilizar una amplia gama de combustibles, Diesel publicó un libro llamado “Die Entstehung des
Dieselmotors” (El origen del motor diesel), donde menciona en el capítulo
“Combustibles Líquidos” las pruebas que realizó en 1900 durante la feria mundial de París donde utilizó aceite de cacahuate en 2 de sus motores. La versatilidad de su motor le permitió ganar una fortuna por su comercialización.
Diesel realizó una serie de demostraciones por todo el mundo de su motor y de manera frecuente resaltaba la versatilidad de su motor en cuanto a combustibles, de hecho citó varias veces las bondades del uso de aceite vegetal en sus motores, resaltando las siguientes:
“El motor diesel puede ser alimentado con aceites vegetales, esto ayudaría considerablemente al desarrollo agrícola de los países que lo usen”
“El uso de aceites vegetales como combustible puede parecer insignificante hoy, pero dichos aceites serán mas importantes que el petróleo y carbón de hoy en día”
Rudolph Diesel, Saint Louis, Missouri, 1912
De igual manera cabe mencionar que Diesel utilizaba un “atomizador” para el combustible lo cual en ocasiones no era el método mas eficiente para lograr una combustión completa. El Doctor Robert Bosch adaptó su bomba de inyección y su inyector al motor diesel aumentando así la eficiencia del mismo. Durante los años siguientes y hasta la fecha se ha estado trabajando en el mismo para aprovechar el residuo de la industria petrolera en la producción de queroseno que hoy llamamos “diesel”.
Combustión del Diesel
En el motor de gasolina convencional se comprime una mezcla de aire con combustible en una relación de compresión de 8:1, donde una vez comprimida la mezcla se enciende la misma con la ayuda de una chispa, donde la potencia del motor se controla limitando la entrada de la mezcla aire-combustible.
En un motor diesel solamente se comprime aire en una relación de 18:1, una vez compreso el aire se inyecta el combustible a una alta velocidad y con una atomización muy fina, donde la alta temperatura (superior a los 520oC) evapora
instantáneamente el combustible originando una serie de reacciones químicas espontáneas conocido como “auto ignición”. La potencia del motor diesel se controla mediante la cantidad de combustible que se inyecta.
Es importante mencionar las características que se buscan en el combustible que alimente al motor diesel, a continuación se mencionarán las mas importantes:
Cetanaje:
Una de las propiedades más importantes del combustible es la capacidad de auto-ignición a las temperaturas y presiones presentes en la cámara de combustión al momento de la inyección del combustible. La prueba de laboratorio que se utiliza para determinar esta capacidad es el número de cetanos (cetanaje).
Los combustibles con alto numero de cetano tienen un periodo corto de retardo durante la ignición y un periodo de combustión pre-mezclada, dando como resultado una reducción en las partículas (hollín).
La estructura química de los ácidos grasos de los que se compone el aceite y el biodiesel es similar a la del hexadecano (cetano), por lo que prácticamente cualquier tipo de aceite vegetal o grasa animal tiene un número de cetano mayor que el diesel fósil.
Contenido Energético
El calor específico de combustión (contenido energético) es la cantidad de energía que se libera en forma de calor al quemarse una sustancia en una combustión completa.
El contenido energético del diesel depende en gran medida del origen y zona geográfica del petróleo del que se derivó. El diesel con mayor contenido de compuestos aromáticos tiende a tener mayor contenido energético que uno con bajo contenido de aromáticos.
De acuerdo con información oficial de PEMEX, el contenido de compuestos aromáticos va desde un 22 a un 30%, teniendo un cetanaje de 53 y 48 respectivamente.
Los compuestos aromáticos tienen un poder calorífico inferior menor por unidad de masa que por unidad de volumen, esto es si consideramos el poder calorífico de los compuestos aromáticos en un kilogramo vamos a ver que es menor que el poder calorífico de los mismos aromáticos en un litro, esto se debe principalmente a la mayor densidad los aromáticos.
Esta propiedad (densidad) es de vital importancia para el biodiesel ya que si comparamos el contenido energético del biodiesel de soya (poder calorífico inferior) contra el contenido energético del diesel encontraremos que el biodiesel tiene un valor de 37.2 MJ/kg y el diesel 42.6 MJ/kg. En función del peso el biodiesel tendría un 12.5% menos energía que el diesel.
Si consideramos el contenido energético en base al volumen encontramos un poder calorífico del biodiesel de 32.9 MJ/kg y 36.0 MJ/kg para el diesel, donde la diferencia es solamente 8% menor. Esto es de gran importancia ya que el combustible se mide en base al volumen y no en base a su peso, por lo que se debería experimentar como máximo una perdida del 8% de potencia y no del 12.5%.
Es importante determinar si el combustible va a ser utilizado en calderas o en motores de combustión ya que es común que el diesel se utilice en calderas, cuando se habla del poder calorífico del biodiesel para calderas se tiene que utilizar el poder calorífico superior (HHV) el cual es de 40.16825 MJ/kg y el poder
calorífico inferior (LHV) es de 37.52 MJ/kg. Se podría evitar el error de vender el biodiesel mas barato por tener menor contenido energético que los combustibles de las calderas.
Emisiones
En condiciones ideales todo el carbón del diesel debería quemarse y oxidarse en dióxido de carbono, de igual manera todo el hidrógeno debería quemarse y oxidarse en agua. Teóricamente se sigue esta ruta sin embargo la presencia de otros compuestos como azufre y compuestos aromáticos modifican las condiciones de la combustión impidiendo que esta se complete.
El azufre tiende a oxidarse en dióxido o trióxido de azufre (SOx) el cual reacciona
con el vapor de agua y forma ácido sulfúrico y otros compuestos sulfatados. Dichos sulfatos elevan la emisión de partículas en el escape y por ende la opacidad.
De igual manera los compuestos aromáticos aunque son una fuente de energía para el diesel, su combustión incompleta contribuye en gran medida en la emisión de óxidos de nitrógeno y partículas, además de disminuir el cetanaje del combustible.
El biodiesel reduce notablemente la emisión de SOx y de partículas principalmente porque los aceites vegetales del cual se obtuvo no contienen azufre ni compuestos aromáticos.
El motor diesel fue diseñado para utilizar aceite vegetal como combustible, lo que impide hoy en día que sigamos haciéndolo es el sistema de inyección, mas adelante se mostrará las consecuencias de utilizar aceite vegetal directo en los motores diesel, como el principal problema del uso del aceite vegetal directo es la pobre atomización causada por la viscosidad, se optó por mejorar la viscosidad del mismo quitándole el compuesto que lo hace viscoso, a dicho proceso se le llama transesterificación.
Conversión del Triglicérido en Biodiesel (Transesterificación)
La transesterificación consiste en cambiar de un éster (triglicérido) a otro éster (biodiesel). Un éster es un compuesto orgánico producido por la reacción de un ácido y un alcohol. Desde el punto de vista químico, los aceites vegetales son triglicéridos, es decir tres cadenas moleculares largas de ácidos grasos unidas a un alcohol (glicerol).
Si el glicerol es reemplazado por metanol, se obtienen tres moléculas más cortas del ácido graso (metiléster). El glicerol desplazado se recupera como un subproducto de la reacción (glicerina).
Por lo tanto en la reacción de transesterificación, una molécula de un triglicérido reacciona con tres moléculas de metanol o etanol para dar tres moléculas de monoésteres y una de glicerina.
Como se puede observar en la figura anterior, los triglicéridos están compuestos por una molécula de glicerol (rojo) y tres moléculas de ácidos grasos (azul), donde cada arista de la línea quebrada simboliza un átomo de carbono. En química es común representar la cadena de hidrocarburo con la letra R.
La siguiente figura muestra la molécula lineal del ácido esteárico, donde el grupo carboxilo (COOH) le da a la molécula las propiedades de un ácido:
R --- COOH
La siguiente figura muestra la misma molécula pero esquemáticamente, donde se eliminan los átomos de hidrógeno y se simbolizan los átomos de carbono:
Los ácidos grasos pueden tener diferentes longitudes de cadena variando desde los 4 átomos de carbono hasta los 22. Se dividen en dos grupos los ácidos grasos de cadena corta (ácidos grasos volátiles) y los de cadena larga, para la producción de biodiesel utilizaremos los de cadena larga, para la producción de biogás se utilizan los de cadena corta, los ácidos grasos de cadena larga son los siguientes:
• Ácido cáprico (ácido decanoico) 10:0*
• Ácido láurico (ácido dodecanoico) 12:0 • Ácido mirístico (ácido tetradecanoico) 14:0 • Ácido palmítico (ácido hexadecanoico) 16:0 • Ácido esteárico (ácido octadecanoico) 18:0 • Ácido oleico (ácido octadecenoico) 18:1 • Ácido linoleico (ácido octadecadienoico) 18:2 • Ácido linolénico (ácido octadecadienoico) 18:3 • Ácido arachídico (ácido eicosanoico) 20:0 • Ácido erúcico (ácido docosenoico) 22:1
Las propiedades del biodiesel y la tecnología para transformar esos ácidos grasos en biodiesel dependen en gran medida del perfil de ácidos grasos de la materia prima.
Lo que diferencia un aceite de una grasa o de otro aceite es el la cantidad y tipo de ácidos grasos, independientemente de la cantidad de carbonos que tiene el ácido graso, su nivel de saturación nos va a afectar en las propiedades del biodiesel, ya que si es saturado va a tener una fuerte tendencia a cuajarse a bajas temperaturas y si es insaturado tendrá una fuerte tendencia a degradarse y convertirse en alimento de bacterias, lo cual nos va a dificultar cumplir con la norma de calidad. Los tipos de saturación de los ácidos grasos son los siguientes:
• Ácidos grasos insaturados: Son ácidos grasos con dobles enlaces entre
carbonos; suelen ser líquidos a temperatura ambiente.
• Ácidos grasos monoinsaturados: Son ácidos grasos insaturados con un
solo doble enlace.
• Ácidos grasos poliinsaturados: Son ácidos grasos insaturados con varios
dobles enlaces.
• Ácidos grasos cis: Son ácidos grasos insaturados en los cuales los dos
átomos de hidrógeno forman "codo" en el punto donde está el doble enlace. • Ácidos grasos trans: Son ácidos grasos insaturados en los cuales los dos
átomos de hidrógeno dando una forma rectilínea a la molécula.
En la reacción de transesterificación el ácido graso se separa de la glicerina gracias a la acción del catalizador (hidróxido o ácido) sin la presencia de este tendríamos que elevar la temperatura del aceite entre 350 y 400oC para que se
separaran dichos ácidos grasos y se convirtieran en biodiesel.
El proceso de producción de biodiesel sin catalizador es conocido como “transesterificación supercrítica”,
A continuación se muestra el perfil de ácidos grasos de algunas oleaginosas:
Aceite 10:0 12:0 14:0 16:0 18:0 18:1 18:2 18:3 20:0 22:1 Aceite de Hígado Bacalao - - 8.0% 29.0% 5.0% 18.0% 3.0% 1.0% 19.0% 17.0% Aceite de Palma - - 2.0% 43.0% 4.0% 42.0% 9.0% - - -Aceituna - - - 10.0% 3.0% 77.0% 10.0% - - -Aguacate - - - - 19.0% 66.0% 12.0% 3.0% - -Algodón - - 1.0% 22.0% 1.0% 30.0% 46.0% - - -Avellana - - - 6.0% 2.0% 79.0% 12.0% 1.0% - -Cacahuate - - - 9.0% 3.0% 65.0% 23.0% - - -Cacao - - - 25.0% 38.0% 32.0% 3.0% 2.0% - -Café - - - - 38.5% 12.5% 49.0% - - -Calabaza - - - 5.0% 4.0% 20.0% 41.0% 30.0% - -Canola - - - 4.3% 1.3% 59.9% 21.1% 13.4% - -Cártamo - - - 4.8% 1.4% 74.1% 19.7% - - -Coco 7.0% 53.0% 18.0% 9.0% 3.0% 7.0% 2.0% - 1.0% -Girasol - - - - 12.0% 23.0% 65.0% - - -Grasa Amarilla (AVU) - - 2.0% 18.0% 13.0% 56.0% 8.0% 1.0% 1.0% 1.0% Higuerilla - - - 1.0% 1.0% 91.0% 3.0% 4.0% - -Jatropha - - - 14.0% 6.0% 31.0% 47.0% - 2.0% -Jojoba - - - 3.0% 1.0% 10.0% 5.0% 1.0% 70.0% 10.0% Linaza - - - 5.0% 3.0% 25.0% 27.0% 40.0% - -Maíz - - 1.0% 12.0% 4.0% 49.0% 34.0% - - -Manteca - - 1.0% 28.0% 16.0% 44.0% 10.0% 1.0% - -Mantequilla 4.0% 6.0% 20.0% 16.0% 15.0% 34.0% 3.0% 1.0% 1.0% -Mostaza - - - 2.0% 17.0% 15.0% 6.0% 9.0% 6.0% 45.0% Nuez - - - - 7.0% 73.0% 20.0% - - -Palmiste 6.0% 46.0% 16.0% 9.0% 2.0% 19.0% 2.0% - - -Sebo de Res - - 4.0% 28.0% 22.0% 43.0% 3.0% - - -Soya - - - 8.0% 4.0% 25.0% 55.0% 8.0% -
La reacción de transesterificación tiene la siguiente secuencia:
1.- El triglicérido reacciona con el alcohol y forma un éster y un diglicérido.
2.-El diglicérido reacciona con el alcohol y forma otro éster y un monoglicérido.
3.-El monoglicérido reacciona con el alcohol y forma otro éster y glicerina.
4.-Por lo que la reacción completa es: ! CH2" O " CO " R1 CH2" O " CO " R1 | | CH " O " CO " R2 + R " OH Catalizador # % % % $ R " O " CO " R2 + CH " OH | | CH2" O " CO " R3 (Alcohol) (Biodiesel) CH2" O " CO " R2 Triglicérido ( ) (Diglicérido) ! CH2" O " CO " R1 CH2" O " CO " R1 | | CH " OH + R " OH Catalizador # % % % $ CH " OH | | CH2" O " CO " R3 (Alcohol) R " O " CO " R3 + CH2" OH Diglicérido ( ) (Biodiesel) (Monoglicérido) ! CH2" O " CO " R1 R " O " CO " R1 + CH2" OH | (Biodiesel) | CH " OH + R " OH Catalizador # % % % $ CH " OH | | CH2" OH (Alcohol) CH2" OH Monoglicérido ( ) (Glicerina) ! CH2" O " CO " R1 + R " OH R " O " CO " R1 + CH2" OH | | CH " O " CO " R2 + R " OH Catalizador # % % % $ R " O " CO " R2 + CH " OH | | CH2" O " CO " R3 + R " OH R " O " CO " R3 + CH2" OH Triglicérido
( ) (Alcohol) (Biodiesel) (Glicerina)
Para que el biodiesel producido cumpla con los estándares de calidad es necesario que la reacción de transesterificación se complete en un 97.7%, es decir que el 97.7% de los triglicéridos se conviertan en biodiesel. En promedio el aceite vegetal contiene alrededor del 10.4% en peso de glicerina, para cumplir la norma el biodiesel deberá contener como máximo 0.24% en peso, incluyendo glicerina libre o en forma de glicéridos por lo que si se tiene originalmente 10.4% de glicerina y se puede tener solo 0.24% se tiene que eliminar el 97.7% de la misma, el cálculo se muestra a continuación:
10.4 - 0.24 x100 = 97.7%
10.4
El proceso de transesterificación puede ser afectado por la presencia de agua, ya que si existen ácidos grasos, agua y un catalizador metálico como sodio o potasio se favorecería la saponificación antes que la transesterificación por lo que tendríamos jabón en lugar de biodiesel.
Los triglicéridos al ser sometidos a calor o al estar en contacto con agua sufren un proceso de hidrólisis donde se liberan los ácidos grasos del triglicérido y se forman ácidos grasos libres (AGL’s). Los AGL’s representan un problema para la transesterificación ya que esta genera pequeñas cantidades de agua, por lo que se favorece la producción de jabón antes que biodiesel.
El proceso de transesterificación puede tolerar un contenido de AGL’s hasta del 4% preferentemente. Es común que los pequeños productores utilicen aceites vegetales usados (AVU’s) recolectados gratuitamente en restaurantes, dichos aceites pueden llegar a tener hasta 10% de AGL’s, el problema de utilizar la transesterificación con aceites con AGL’s es las perdidas de ácidos grasos en jabón, no solo se pierden los AGL’s sino también ácidos grasos de triglicéridos. Existe un método muy utilizado en la industria alimenticia para la remoción de AGL’s de aceites vírgenes llamado “Caustic Stripping”, el principal problema es que no solo se remueven AGL’s sino también triglicéridos, dicha pérdida se manifiesta como pérdida de rendimiento en biodiesel de la siguiente manera:
• Con aceites con un contenido de AGL’s hasta de 2% se pierde entre 1 y 2% del volumen por cada 1% de AGL’s.
• Con aceites con un contenido de AGL’s mayor a 2% se pierde entre 3 y 5% del volumen por cada 1% de AGL’s.
Por ejemplo si se tiene AVU con 10% de AGL’s tendríamos una pérdida aproximada de 30% de aceite en jabón.
Existe la posibilidad de convertir los AGL’s en biodiesel, mediante el proceso de esterificación ácida, la reacción química es la siguiente:
El proceso de esterificación es necesario y ampliamente utilizado para convertir los AGL’s en biodiesel, si bien es necesario realizar varias reacciones para lograr una alta conversión se eliminan bastantes problemas relacionados con las impurezas del biodiesel, facilitando cumplir con los estándares de calidad.
Es necesario cuantificar el contenido de AGL’s de la materia prima preferentemente por lote a convertir, a continuación se mencionan los rangos de contenido de AGL’s de las principales materias primas para el biodiesel:
• Aceites vegetales refinados: AGL’s <0.05%
• Aceites vegetales crudos: AGL’s entre 0.3 y 0.7% • Aceites vegetales usados: AGL’s entre 2 y 7%
• Grasa animal: AGL’s entre 5 y 30%
• Grasa de trampas de grasa: AGL’s entre 40 y 100%
Generalmente, cuando los AGL’s son menores al 1% se pueden ignorar y se puede proceder con la transesterificación, en caso de ser mayores hay que hacer un pretratamiento.
A continuación se presenta un diagrama esquemático de la producción de biodiesel, en este diagrama se muestran tanto la esterificación como la transesterificación:
Figura 2.4: Proceso de Producción de Biodiesel !
R1" CO " OH + R " OH # % Ácido% $ R " O " CO " R1 + H2O
(AGL ) (Alcohol) (Biodiesel) (Agua)
Paso 1 Esterificación de los AGL’s:
• Determinación de la cantidad de AGL’s en la materia prima. • Si el % de AGL’s es mayor a 2% se procede con la esterificación.
• Si el % de AGL’s es menor a 2% se procede con la transesterificación (paso 1a).
• Se añade ácido sulfúrico a la materia prima, 0.05 gr de ácido por cada gramo de AGL.
• Se añade alcohol en una proporción de 20:1 es decir veinte veces mas alcohol que el necesario, con el fin de deshidratar el aceite.
• Se mezcla alrededor de 1 hora y se manda a separación.
Paso 2 Separación:
• Se separan el alcohol en exceso y la mezcla de biodiesel, AGL’s y triglicéridos.
• El alcohol va a la torre de destilación para su recuperación (paso 3). • La mezcla de biodiesel, AGL’s y triglicéridos vuelve al paso 1.
Paso 3 Destilación:
• Se recupera y purifica el alcohol mediante la destilación.
• Si el alcohol es etanol se tiene que deshidratar antes de volver al proceso. • Se produce agua con ácido sulfúrico la cual se le conoce como “vinaza”, se
tendrá que neutralizar y desechar.
Paso 1a Transesterificación:
• Se prepara el catalizador (metóxido o etóxido) de la siguiente manera:
• Se añade alcohol en una proporción molar de 6:1 lo cual representa alrededor del 20 al 30% en volumen de alcohol del total del volumen del triglicérido.
• Se añade el catalizador al alcohol, 1 g de hidróxido por cada 100 gramos de triglicéridos y se agita hasta disolver.
• Se añade la mezcla de alcohol con catalizador al aceite (triglicéridos) previamente calentados a 55oC.
• Se mezcla alrededor de 1 hora y se manda a separación.
Paso 3 Destilación:
• Se repite el paso 3 para recuperar el alcohol de la transesterificación • Se recupera y purifica el alcohol mediante la destilación.
• Si el alcohol es etanol se tiene que deshidratar antes de volver al proceso. • El alcohol promueve la emulsión de biodiesel con glicerina y jabón, el
recuperar el alcohol antes de separar los componentes facilita en gran medida la decantación de los mismos.
• Una vez recuperado el alcohol en exceso, la emulsión se manda al separador (paso 2a)
Paso 2a Separación:
• Se separan el biodiesel y la mezcla de glicerina y jabón. • El biodiesel va al lavado (paso 4).
• La mezcla de glicerina y jabón va al reactor de acidificación (paso 5).
Paso 4 Lavado:
• El biodiesel puede estar contaminado con glicerina y restos de catalizador, se puede utilizar agua para remover estos compuestos.
• El lavado con agua representa un reto para los operadores ya que se corre el riesgo de dañar el lote por una excesiva formación de jabón, además de que se corre el riesgo de no cumplir con la norma de calidad por el contenido de agua del biodiesel.
• Industrialmente se utilizan resinas de intercambio iónico las cuales remueven la mayoría de las impurezas salvo el alcohol, son my prácticas de utilizar y se puede prácticamente garantizar que el combustible cumplirá con las normas de calidad.
Paso 5 Separación de Glicerina y AGL’s:
• Se separan la mezcla de glicerina y jabón por medio de adición de pequeñas cantidades de ácido.
• La glicerina resultante tiene un alto grado de concentración entre un 80 y 90% lo cual resulta atractivo para los refinadores ya que es mas rentable de refinar que una agua jabonosa. Se pude filtrar y vender como “glicerina cruda” a la industria química.
• El jabón es neutralizado con el ácido y se forman AGL’s los cuales pueden ser mezclados con la materia prima y ser esterificados (paso 1).
• En el fondo se separa una sal, la cual puede ser vendida como fertilizante, o adicionada a la composta para incrementar su valor.
Existen varios tipos de procesos para la producción de biodiesel, cada uno de ellos presenta una serie de ventajas y de desventajas, a continuación se explicará en que consiste cada uno de ellos y se compararán.
Transesterificación por lote (batch):
Es el proceso mas simple y por lo tanto el mas utilizado para la producción de biodiesel, consiste en un reactor con agitación mecánica, donde la relación molar de alcohol utilizado varia de moles de alcohol por cada mol de triglicérido (4:1) a 20 moles de alcohol por cada mol de triglicérido (20:1), siendo la relación 6:1 la mas utilizada.
El reactor puede estar equipado con condensador para la recuperación in situ del alcohol, la temperatura de operación es de aproximadamente 65ºC, sin embargo hay sistemas que trabajan a temperaturas desde 25ºC a 85ºC.
El catalizador mas utilizado es el hidróxido de sodio (sosa cáustica), sin embargo también se utiliza hidróxido de potasio (potasa cáustica) ya que esta última presenta la ventaja de que el jabón que forma es liquido. La cantidad de catalizador utilizado varia entre 0.3 y 1.5% en peso del triglicérido.
