Hacia una transición ecológica en los combustibles: biodiésel 

Francisco Javier García Agustín »

1. Introducción y magnitud del problema

Desde la existencia del ser humano, la energía ha sido un factor clave para el desarrollo económico y social de la población. Son numerosas las formas de energía que el ser humano ha utilizado a lo largo de los siglos para poder desarrollar sus actividades. El descubrimiento del fuego supuso una revolución en la forma de vida de la población.

Sin duda, el momento más decisivo para la obtención de energía fue la Revolución Industrial ya que supuso un cambio drástico en las formas de producción y trabajo que el ser humano había llevado a cabo a lo largo de los siglos pasados, y que trajo consigo importantes avances en la producción, en los transportes de viajeros y mercancías a través del uso de carbón, como ejemplo de uso de combustibles fósiles.

Más adelante, el petróleo supuso un recurso fundamental para la obtención de energía mediante su transformación a formas diferentes de energía para el uso de combustibles como la gasolina y el diésel o para la mejora de la movilidad de la población, el calentamiento de los hogares y el desarrollo económico y social.

Sin embargo, en la medida en que el desarrollo industrial y humano crecía, el impacto de las actividades humanas sobre el planeta se convirtió en una evidencia categórica al observarse los primeros indicios de incremento de la temperatura media del planeta, el aumento del nivel medio del mar, el aumento de la evaporación de agua en suelos y superficies y los cambios en los patrones de lluvias y alteraciones en ecosistemas que han ido acelerándose en las últimas décadas. 

Diferentes estudios y organismos, como la Organización de las Naciones Unidas han desarrollado convenciones y estudios avalando esta tendencia, destacando el Protocolo de Kyoto de 1997,  el 4° informe del Panel Intergubernamental sobre cambio climático (IPCC) en 2007 o el “Global Climate Change Impacts in the United States”, el Acuerdo de París del año 2015, y aún más reciente la COP 2028, dónde se buscan consensos entre los países participantes de disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero y realizar una transición ecológica efectiva para sustituir los combustibles fósiles por formas alternativas de obtención de energía más sostenibles, como son las energías renovables.

Los estudios publicados relacionaron el incremento de la temperatura media con el incremento de gases de efecto invernadero producidos por la combustión de combustibles fósiles, de manera que el calor quedaba atrapado cerca de la superficie de la tierra a causa de gases como el dióxido de carbono, metano, óxidos nitrosos y vapor de agua.      

Si nos centramos en el transporte, en la Unión Europea es el 21% de las emisiones de gases de efecto invernadero, dependiendo en un 98% de combustibles fósiles, lo que incumple las convenciones internacionales mencionadas en referencia a esta materia y obliga a la búsqueda de nuevas fuentes de energía no dependientes de los combustibles fósiles, que minimicen el impacto del incremento que los gases de efecto invernadero tienen en el calentamiento global.

En este sentido se han planteado varias estrategias de energías verdes y sostenibles. La Unión Europea mediante el “Biofuels Research Advisory Council ha estimado que para el año 2030 un cuarto de los combustibles utilizados en el transporte provendrán de biocombustibles.

El reto no es fácil ya que implica una mejora en las tecnologías que existen y dedicar recursos económicos a la investigación y desarrollo de procesos a nivel industrial que hagan efectiva esa transición ecológica que reduzca la dependencia energética del petróleo, teniendo en cuenta que muchos países tienen intereses contrapuestos debido a que la explotación petrolera es el principal motor económico, especialmente en los países del Golfo Pérsico y los pertenecientes a la OPEP, que buscan una reducción gradual en un planeta que demanda cambios firmes y drásticos de manera inminente.

Esos cambios podrían hacerse a partir de nuevos combustibles sostenibles como el hidrógeno verde, pero también a través de biocombustibles producidos a partir de la biomasa.

En este artículo nos centraremos en aquellos que tienen su base en la energía de la biomasa y específicamente en el biodiesel.   

2. Biodiésel

El biodiésel es un combustible ecológico obtenido a partir de aceites vegetales, como el aceite de colza, el aceite de girasol y la soja, además de grasas de origen animal.

Tiene la ventaja de que cumple con los criterios de sostenibilidad, es renovable y tiene un menor impacto ambiental, es biodegradable y presenta nula toxicidad.

La “American Society for Testing and Material Standard” (ASTM) lo define literalmente como “ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales o grasas animales”.

Dentro de estos ésteres, los más utilizados para la obtención de biodiésel son los de metanol y etanol debido a su bajo coste y las ventajas fisicoquímicas que presentan en relación a su  producción.

Fue utilizado por primera vez en el año 1903 en Suiza por Rudolf Diesel, usando aceite de maní.

Se encuentra registrado como combustible y como aditivo para combustibles en la Agencia de Protección del Medio Ambiente de Estados Unidos (Environment Protection Agency – EPA-EEUU).

Es 100 % biodegradable, aunque posee un 5 % menos de energía específica frente al diésel. Otra de las ventajas es que prolonga la vida útil de los motores y su uso supondría la reducción de entre un 25 % a un 80 % de las emisiones de CO₂ y SO₂ a la atmósfera.

2.1. Características fisicoquímicas del biodiésel

En la siguiente tabla se muestran las propiedades fisicoquímicas del biodiésel como combustible:

PROPIEDAD	CANTIDAD
Contenido en éster	96,5 % (m/m)
Densidad a 15 °C	860-900 kg/m2
Viscosidad a 40 °C	3,50-5,00 mm2/g
Punto de inflamación	120 °C
Contenido en azufre	10 Mg/kg *
Residuo de carbón	0,3 % *
Índice de cetano	51,0
Contenido de cenizas sulfatadas	0,02 % (m/m)*
Contenido en agua	500 mg/kg*
Contaminación total	24mg/kg*
Corrosión de la tira de cobre (3h a 50 °C)	Clase 1
Estabilidad a la oxidación a 110 °C	6 horas
Índice de acidez	0,50 mg/KOH/g
Índice de yodo	120 g/100g*
Éster metílico de ácido linoleico	12 % (m/m)*
Ésteres metílicos poliinsaturados	1 % (m/m)*
Metanol	0,20 % (m/m)*
Monoglicéridos	0,80 (m/m)*
Diglicéridos	0,20 % (m/m)*
Triglicéridos	0,20 % (m/m)*
Glicerol libre	0,02 % (m/m)*
Glicerol total	0,25 % (m/m)*
Metales del grupo I (Na/K)	5,0 mg/kg*
Metales del grupo II ( Ca/Mg)	5,0 mg/kg *
Fósforo	10 mg/kg *

2.2. Materias primas

Podemos clasificar las materias primas para la elaboración del biodiesel en seis principales grupos:

• Aceites vegetales convencionales: aceites de girasol, colza, soja, coco y palma
• Aceites vegetales alternativos: aceites de Brassica carinata, Cynara curdunculus, Camelina abyssinica, Pogianus y Jatropha curcas.
• Aceites de semillas modificadas genéticamente: aceite de girasol de alto oleico.
• Grasas animales de vaca y búfalo, mediante su transesterificación.
• Aceites de fritura utilizados (que son los de mayor proyección en este sentido ya que económicamente son baratos y se  ahorran los costes en el tratamiento de estos como residuo; sin embargo presentan dificultades logísticas para su recogida y control a pesar de la Ley 10/1998 en la que se establece la prohibición de vertido de aceites usados para incentivar su segunda utilización para combustibles ecológicos).
• Aceites de otras fuentes, como son los de producciones microbianas o los de microalgas.

2.3. Obtención de biodiésel por reacciones de transesterificación de triglicéridos o alcohólisis

Este tipo de reacciones consisten en la combinación de triglicéridos con alcoholes de bajo peso molecular para producir ésteres y glicerina;  en ellas 1 mol de triglicérido reacciona con 3 moles de alcohol para producir 3 moles de ésteres y 1 mol de glicerol.

La transesterificación requiere un exceso de alcohol para desplazar el equilibrio de la reacción hacia la derecha. La máxima conversión a éster metílico se da con una relación molar 6:1.

Hay que tener en cuenta que valores altos en la relación molar de alcohol pueden tener repercusión en la solubilidad, por incremento, ya que el alcohol afecta a la separación de glicerina. Si esto ocurre, el equilibrio de la reacción puede revertirse a la izquierda al mantener a la glicerina en la disolución, disminuyendo el rendimiento de la reacción.

La conversión a éster etílico es más difícil que a éster metílico, y la conversión a este se ve favorecida con el tiempo de reacción.

Con el fin de mejorar el rendimiento de esta reacción así como su velocidad se emplean catalizadores homogéneos básicos (KOH/NaOH…) por ser los que tienen mejor cinética, aunque pueden ser reemplazados por catalizadores ácidos o por catalizadores enzimáticos basados en microorganismos del tipo cándida, penicillium o pseudomonas.

En este punto hay que destacar la importancia de que tanto glicéridos como alcoholes sean anhidros para evitar las reacciones de saponificación de los ácidos grasos, así como que los triglicéridos tengan una baja proporción de ácidos grasos libres y trabajar a temperaturas altas de reacción para evitar la formación de jabones.

En el caso de que en el aceite hubiera una alta concentración de ácidos grasos libres, estos podrían neutralizarse mediante una reacción de esterificación para evitar esa producción de jabón.

En esta situación lo deseable es utilizar un catalizador ácido, enzimático o un hidróxido para poder formar el éster metílico, y no sería necesario trabajar con temperaturas elevadas:

2.4. Tipos de catálisis

TIPO	VENTAJAS	INCONVENIENTES
CATÁLISIS BÁSICA     CATÁLISIS ÁCIDA     CATÁLISIS ENZIMÁTICA	Esterifica ácidos grasos No forma jabones Purificación simple	Velocidad de reacción baja Exceso de alcohol elevado Condiciones enérgicas de presión y temperatura Neutralización del catalizador
CATÁLISIS HETEROGÉNEA	Reutilización del catalizador Facilidad de procesos continuos No se forman jabones Purificación más sencilla	Transferencia de materia

2.5. Variables que influyen en el rendimiento de la reacción

A. Humedad

Su presencia disminuye el rendimiento de la reacción. Si la humedad es alta, el agua reacciona con el catalizador para formar jabones. En este mismo sentido, tanto la ausencia como el exceso de catalizador producen la formación de jabón.

B. Acidez

A mayor acidez del aceite, menor es el rendimiento de la reacción. El contenido de ácidos grasos libres debe ser menor al 3 % para que la reacción a éster metílico sea completa. En el caso de que la cantidad de ácidos grasos libres fuera superior al 3 % habría que neutralizarlos con una disolución de NaOH para la eliminación del exceso de ácidos grasos libres.

C. Tipo de catalizador y concentración

Los más utilizados son los catalizadores homogéneos básicos, como los hidróxidos. El uso de un tipo u otro de catalizador dependerá de las condiciones de los ácidos grasos que estén utilizándose en el proceso. En el caso de los básicos, el NaOH es el que ha dado mejores rendimientos de reacción, en comparación con otros usados como el Ba(OH)₂, el metóxido de calcio o el óxido de calcio. Otros tipos de hidróxidos como el de magnesio o el de calcio no tienen actividad catalítica.

El inconveniente principal de los catalizadores alcalinos es que los catalizadores deber ser separados del producto final y la recuperación del glicerol es más compleja.

Si hay alta cantidad de ácidos grasos libres o elevada cantidad de agua, interesan los catalizadores ácidos, como el H₂SO₄ o el H₃PO₄, siendo el H₂SO₄ el que mejores resultados ha dado a unas concentraciones de entre 1,5-2,25 M.

El uso de catalizadores enzimáticos también da buenos resultados, con la ventaja de poder separar más fácilmente el glicerol del producto final, y los ácidos grasos pueden tener una conversión completa a ésteres alquílicos, pero el inconveniente es que aumentan los costos del proceso en relación a la utilización de los catalizadores básicos.

D. Temperatura

A mayor temperatura mejora el rendimiento de la reacción. A temperaturas medias de 60 °C el rendimiento de la reacción se sitúo en un 94 % en comparación a temperaturas inferiores. A 32 °C el rendimiento de la reacción disminuye al 64 %.

2.6. Procesos en la producción industrial de biodiésel

A. Proceso discontinuo

• Ratio alcohol/glicerina de 4:1.
• Reactores sellados de agitación rápida o con condensación de reflujo.
• Temperaturas elevadas: promedio de 65 °C.
• Catalizadores: NaOH/KOH.
• Rendimiento del 84 % al 95 %.
• Tiempo de reacción prolongado: de 20 minutos a 1 hora.

B. Proceso continuo

• Reactores continuos de tanque agitado tubular de flujo de pistón (CSTR en serie).
• Tiempo de reacción más corto: de 6 a 10 minutos.
• Rendimiento del orden del 98 %.
• Catalizadores superácidos ya que los básicos sufren desactivación por los ácidos grasos libres.

C. Esterificación de Fischer

• Catalizadores ácidos (H₂SO₄/H₃PO₄) para aumentar la absorción de agua, aumentando el rendimiento de la reacción.
• El inconveniente de este procedimiento es que el alcohol pueda sufrir esterificación con el H₂SO₄, haya formación de éter o el ácido orgánico sufra descarboxilación.

D. Proceso combinado esterificación-transesterificación

• Se utilizan catalizadores cáusticos y los productos de reacción son centrifugados y posteriormente secados para ser transformados en éster metílico mediante esterificación.
• Los productos son tratados en un reactor de transesterificación mediante catálisis ácida y posteriormente separados en ácidos grasos, sales y biodiésel.

E. Proceso en condiciones supercríticas

• En este proceso, tanto la ratio alcohol/aceite como la temperatura y la presión están en límites críticos, siendo de 42:1, 400 °C y más a 80 atmósferas respectivamente.
• El tiempo de reacción es corto, del orden de 4 minutos.
• La ventaja es que no hay necesidad de añadir catalizadores para producir la reacción; sin embargo, los inconvenientes de este proceso son los altos costos económicos y un mayor consumo energético que en los procesos anteriores.

3. Conclusiones

El balance general del uso del biodiésel como combustible tiene indudablemente más ventajas que desventajas.

Entre las ventajas destacaremos la reducción notable de emisiones de gases de efecto invernadero en relación a la disminución de su capacidad energética con respecto al diésel convencional, además de poder ser aprovechado evitando el vertido de aceite como residuo contaminante. Emite de media un 80 % menos de emisiones perdiéndose una capacidad energética del 5 % frente al diésel convencional.

Las desventajas son fundamentalmente logísticas y de inversión en la reversión de los procedimientos convencionales de obtención de energía a través del petróleo. El almacenamiento es fundamentalmente el principal problema, ya que al ser biodegradable su permanencia no puede ser larga, y eso exige realizar una planificación exacta de la producción necesaria.

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Bibliografía

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