Tipos de biocombustible: comparación de las características de los combustibles sólidos, líquidos y gaseosos

Una alternativa a los recursos energéticos tradicionales son los distintos tipos de biocombustibles, para cuya elaboración se utiliza materia prima vegetal o animal, residuos industriales y productos de la actividad vital de los organismos.

Le proponemos analizar las ventajas y desventajas del uso de este combustible, conocer las características de producción, las funcionalidades y evaluar la eficacia del uso de diferentes tipos de biocombustible. La información facilitada le ayudará a orientarse en la elección de fuentes de energía alternativas.

¿Qué es el combustible biológico?

La dirección más prometedora en el sector energético son las tecnologías que contemplan el uso de recursos renovables, entre los que se incluye el combustible biológico.

El tipo más común de combustible biológico es la leña común. El 38% de la población mundial la utiliza para calefacción y cocción de alimentos.

Como materia prima para su producción se puede utilizar biomasa de origen vegetal o animal, incluyendo residuos de procesos industriales o desechos de la actividad animal.

El procesamiento de estas sustancias se realiza mediante métodos termoquímicos o biológicos; en este último caso, el combustible se obtiene con la ayuda de diversos tipos de microorganismos.

La proporción de uso de biocombustibles crece constantemente, lo que contribuye a la conservación de los recursos fósiles de hidrocarburos (+)

En muchos países existen programas especiales para ampliar la proporción de biocombustible en el consumo energético nacional y regional. En varios Estados también existen normas obligatorias para el uso de esta fuente de energía.

Ventajas y desventajas de los biocombustibles

Los biocombustibles tienen sus aspectos positivos y negativos. El interés en el uso de este tipo de materia prima se debe a sus indudables ventajas.

Entre ellas se incluyen:

• Coste económico. Aunque actualmente los precios del biocombustible coinciden prácticamente con el coste de la gasolina, las sustancias biológicas se consideran un tipo de combustible más ventajoso, ya que al quemarse producen menos emisiones. El biocombustible es apto para su uso en diversas condiciones y puede adaptarse a motores de diferentes diseños. Otra ventaja es la optimización del funcionamiento del motor, que permanece limpio durante más tiempo debido a la baja cantidad de hollín y gases de escape.
• Movilidad. El combustible biológico se diferencia de otras opciones de fuentes de energía alternativas por su movilidad. Las instalaciones solares y eólicas suelen incluir baterías pesadas, por lo que se utilizan con mayor frecuencia de forma estacionaria, mientras que el biocombustible puede transportarse sin mayores problemas de una región a otra.
• Fuente de energía renovable. Aunque, según los investigadores, las reservas existentes de petróleo crudo durarán al menos varios cientos de años, los recursos fósiles son finitos. El biocombustible, fabricado a partir de plantas y desechos de la actividad animal, es uno de los recursos renovables que no corre peligro de desaparecer en un futuro previsible.
• Protección de la atmósfera terrestre. Un gran inconveniente de los hidrocarburos tradicionales es el alto porcentaje de CO₂ que se libera al quemarse. Este gas crea un efecto invernadero en la atmósfera de nuestro planeta, generando condiciones para el calentamiento global. En cambio, al quemar sustancias biológicas, la cantidad de dióxido de carbono se reduce hasta un 65 %. Además, los cultivos utilizados en la producción de biocombustible consumen óxido de carbono, disminuyendo su proporción en el aire.
• Seguridad económica. Los depósitos de hidrocarburos están distribuidos de manera desigual, por lo que algunos estados se ven obligados a comprar petróleo o gas natural, gastando grandes sumas en adquisición, transporte y almacenamiento. Se pueden obtener diversos tipos de biocombustibles en casi cualquier país. Dado que su fabricación y procesamiento requerirán la creación de nuevas empresas y, por consiguiente, puestos de trabajo, esto beneficiará a la economía nacional y tendrá un efecto positivo en el bienestar de las personas.

El perfeccionamiento de las tecnologías y el desarrollo de nuevos métodos podrán potenciar el efecto positivo de los biocombustibles. Así, el desarrollo de tecnologías que utilicen plancton y algas permitirá reducir significativamente su precio.

Al mismo tiempo, en la etapa actual del desarrollo de la ciencia y la tecnología, la producción de biocombustibles conlleva una serie de dificultades e inconvenientes. En primer lugar, se trata de las limitaciones naturales en el cultivo de plantas.

Para el crecimiento de los cultivos utilizados para la producción de biomasa, es necesario tener en cuenta varios factores, a saber:

• Uso del agua. Las plantas agrícolas consumen mucha agua, que es un recurso limitado, especialmente en zonas áridas.
• Invasividad. Los cultivos destinados a combustible suelen ser agresivos. Ahogan la flora autóctona, por lo que la biodiversidad y el ecosistema de la región pueden verse afectados.
• Fertilizantes. Para el crecimiento de muchas plantas se requiere la aplicación adicional de nutrientes, que pueden dañar otros cultivos o el ecosistema en general.
• Clima. Determinadas zonas climáticas (por ejemplo, el desierto o la tundra) no son adecuadas para el cultivo de plantas para biocombustibles.

El cultivo intensivo de plantas agrícolas también está asociado con el agotamiento de los recursos agrícolas. El incumplimiento de las prácticas agronómicas puede conducir a una disminución del contenido de componentes beneficiosos del suelo y, como resultado, a su agotamiento, lo que agravará el problema alimentario.

Se produce una alteración del ecosistema. Para la producción de biomasa generalmente se requiere la expansión de las áreas utilizadas en la agricultura.

A menudo, con este fin se realiza la limpieza del terreno, lo que conduce a la destrucción del microecosistema (por ejemplo, bosques) y a la muerte de plantas y animales.

Actualmente ya se cultiva un gran volumen de cultivos agrícolas para la producción de biocombustibles. Más del 50% de la colza producida en Europa, más de un tercio del grano estadounidense y casi la mitad de la caña de azúcar cultivada en Brasil se destinan a la producción de biomasa.

Surgen problemas con el cultivo de monocultivos. Para obtener una mayor cosecha de biomasa, los productores a menudo siembran la tierra con una planta específica. Esta práctica no tiene un buen efecto en el estado de las tierras agrícolas, ya que el monocultivo conduce a cambios en el medio ambiente.

En los campos ocupados por un solo tipo de planta, suelen parasitar variedades especiales de plagas. Intentar combatirlas con insecticidas y pesticidas solo lleva al desarrollo de resistencia a estos medios.

Para evitar los problemas descritos anteriormente, los científicos aconsejan no descuidar la biodiversidad de los cultivos, combinando varias plantas en los campos y utilizando variedades locales de flora.

Generaciones de combustible alternativo

La amplia gama de materias primas vegetales utilizadas para biomasa se divide en varias generaciones.

Primera generación. A esta categoría pertenecen los cultivos agrícolas que contienen un alto porcentaje de almidón, azúcares y grasas. Son plantas populares como el maíz, la remolacha azucarera, la colza y la soja.

Dado que el cultivo de estas plantas daña el clima y su retirada del mercado afecta la fijación de precios de los alimentos, los científicos intentan reemplazarlas con otros tipos de biomasa.

De las plantas agrícolas de primera generación de materia prima se producen actualmente casi todos los tipos de combustibles líquidos modernos (biodiésel, etanol).

Segunda generación. Este grupo de biomasa incluye madera, hierba y residuos agrícolas (cáscaras, cascarillas). Obtener biocombustible a partir de estas materias primas requiere grandes costos, pero permite resolver el problema del aprovechamiento de residuos no alimentarios y, al mismo tiempo, producir materiales combustibles.

La característica de los cultivos de este tipo es la presencia de lignina y celulosa. Gracias a ellos, la biomasa se puede quemar, gasificar y someter a pirólisis para obtener combustible líquido.

La principal desventaja de la biomasa de segunda generación es el rendimiento insuficiente por unidad de superficie, por lo que es necesario destinar importantes recursos terrestres a estos cultivos.

Tercera generación. Las algas cultivadas a escala industrial, por ejemplo en cuerpos de agua abiertos, sirven como materia prima para la producción de biocombustible.

La opción más prometedora se considera el biocombustible obtenido de algas unicelulares. Estas plantas ganan masa rápidamente y no requieren tierras fértiles para su cultivo.

Esta práctica tiene grandes perspectivas, pero actualmente estas tecnologías solo están en desarrollo. Los científicos también realizan investigaciones para crear métodos que permitan obtener biocombustible de cuarta e incluso quinta generación.

Tres tipos de biocombustibles

Dependiendo del estado de agregación de la sustancia, se distinguen tres tipos principales de biocombustible:

1. Sólido: leña, turba, residuos de la actividad animal y de la producción agrícola.
2. Líquido: biodiésel, éter dimetílico, bioetanol, biobutanol.
3. Gaseosos: biogás, metano, biohidrógeno.

Cada tipo de sustancia tiene sus propias particularidades, de las que se hablará a continuación.

Tipo n.º 1: sólido

Entre las variedades sólidas más populares de biocombustible se incluyen la madera, la turba y los desechos de animales.

Madera (leña, astillas, aserrín)

Una forma antigua de biocombustible es la leña, muy conocida por todos, que se ha utilizado durante mucho tiempo para calentar casas y cocinar. Todavía se usa activamente en diferentes países para generar calor o electricidad; en particular, una gran central térmica austriaca funciona con leña, con una capacidad de 66 megavatios.

Sin embargo, esta materia prima tiene desventajas. El valor energético de la leña es relativamente bajo: al quemarse, parte de la materia se deposita como hollín, por lo que las chimeneas y estufas deben limpiarse regularmente. Además, reponer las reservas de madera lleva tiempo: los nuevos árboles tardan entre 15 y 20 años en crecer.

Una excelente alternativa a la leña tradicional son los pellets (gránulos), para cuya producción se utiliza madera no estándar: corteza, astillas, aserrín prensado, ramas.

Los pellets obtenidos de madera, turba y diversos desechos tienen diferentes colores. Los claros se utilizan para encender chimeneas y estufas, mientras que los oscuros, con mayor contenido de corteza, están destinados a calderas de combustible sólido.

Para producir pellets de combustible, la materia prima se tritura hasta convertirla en polvo, que luego se seca y se prensa a alta temperatura. Gracias a la lignina contenida en la madera, se forma una masa pegajosa a partir de la cual se forman pequeños cilindros de 5-70 mm de largo y 6-10 mm de diámetro.

Una alternativa moderna a la leña tradicional son las briquetas de combustible de forma tetraédrica, hexagonal u octogonal. Este material ecológico tiene una alta transferencia de calor.

Se puede establecer la producción de pellets por cuenta propia, fabricando una prensa para briquetas de combustible.

Entre los tipos populares de biocombustible se incluye la astilla de madera, que a menudo sirve como fuente de energía en centrales térmicas europeas. La producción de esta materia prima se realiza en explotaciones forestales o en líneas de producción especiales equipadas con máquinas trituradoras.

Turba combustible de pantano y bosque

Es un tipo común de biocombustible utilizado con fines domésticos e industriales durante siglos. La turba es una capa de musgo no completamente descompuesta en condiciones de pantano, cuya extracción se realiza en muchos países del mundo: Rusia, Bielorrusia, Canadá, Suecia, Indonesia, entre otros.

La turba, que contiene entre un 50 y un 60 % de carbono, se considera un material popular portador de gas. Esta valiosa materia prima se puede utilizar no solo como combustible, sino también como fertilizante o aislante térmico.

Para facilitar el proceso de producción, la biomasa generalmente se procesa en el lugar de extracción. El proceso consiste en la limpieza (tamizado) de la materia prima de inclusiones extrañas, seguida de secado y moldeado en forma de briquetas o gránulos.

Combustible de residuos agrícolas

En la producción agrícola, por lo general, se acumula una gran cantidad de diversos residuos vegetales: cáscaras externas de plantas, cáscaras de nueces, paja.

Esta materia prima también se puede someter a prensado y granulación, obteniendo pellets de combustible cuyas características prácticamente no difieren de los gránulos fabricados a partir de biomasa leñosa.

Biocombustible de origen animal

Junto con la leña, desde tiempos antiguos las personas comenzaron a usar combustible de origen animal, específicamente los adobes: estiércol seco de animales domésticos. Las tecnologías modernas de secado y procesamiento de dicha materia prima permiten obtener variedades sólidas de biocombustible completamente libres de mal olor.

Desde tiempos remotos, los pueblos nómadas utilizaban como combustible el estiércol seco de caballos, camellos y ganado vacuno. Actualmente, a partir de los desechos de la actividad vital de los animales domésticos se fabrica biocombustible en forma de briquetas o pellets.

Dado que en la actualidad los residuos ganaderos se acumulan a escala industrial, la fabricación de combustible a partir de ellos resuelve simultáneamente el problema de su eliminación.

Tipo n.º 2: líquido

Las variantes líquidas de biocombustible, que se distinguen por su seguridad y ecología, se utilizan principalmente como sustituto de la gasolina y otros combustibles similares. Entre las variantes más comunes se encuentran el bioetanol, biometanol, biobutanol, biodiésel y éter dimetílico.

Bioetanol de cultivos vegetales

Este es un biocombustible líquido común que se utiliza para repostar automóviles. Aunque la sustancia pura no se emplea como combustible, su adición a la gasolina contribuye a mejorar el funcionamiento del motor, aumentar su potencia, controlar el calentamiento del motor y reducir las emisiones de gases de escape.

En muchas estaciones de servicio de Europa, Asia, América del Norte y del Sur no solo se ofrece combustible tradicional, sino también diversos tipos de biocombustible, principalmente mezclas que contienen bioetanol.

El bioetanol también ha sido valorado por los amantes de las chimeneas. Esta sustancia tiene una buena transmisión de calor; además, al quemarse no produce hollín ni humo, y la cantidad de dióxido de carbono emitido se reduce al mínimo.

Gracias a estas características, el combustible se puede utilizar incluso para encender la chimenea en edificios de apartamentos. Más información sobre los biocombustibles para chimeneas está escrita en este artículo.

La producción de bioetanol se realiza a partir de materias primas de primera generación que contienen almidón o azúcar. Los cereales, el maíz, la caña de azúcar y la remolacha se procesan mediante la tecnología de fermentación alcohólica.

Biobutanol para repostar automóviles

Biobutanol – análogo del butanol obtenido biológicamente. Líquido incoloro con olor característico, ampliamente utilizado como materia prima química en la industria, y también puede utilizarse como combustible para el transporte.

La densidad energética del butanol es similar a la de la gasolina, lo que permite sustituir parcialmente a esta última en celdas de combustible. A diferencia del bioetanol, el biobutanol puede utilizarse solo, sin añadir combustibles tradicionales.

Las materias primas para la producción de esta biosustancia son diversas plantas: remolacha, yuca, trigo, maíz.

Éter dimetílico (C₂H₆O)

También es un combustible ecológico. Al quemarlo, los gases de escape no contienen compuestos de azufre, y el contenido de compuestos de nitrógeno es un 90% menor que al quemar gasolina.

El éter dimetílico se puede usar sin filtros especiales, pero es necesario realizar cambios radicales en el diseño del automóvil (sistema de combustible, encendido del motor).

El éter dimetílico se considera una opción prometedora como combustible para automóviles. Empresas como Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan están desarrollando vehículos con motores diseñados para este combustible.

Sin necesidad de modificaciones, se puede usar combustible combinado que contenga un 30% de éter dimetílico en vehículos equipados con motores LPG.

El combustible líquido se puede producir a partir de diversas materias primas: gas natural, polvo de carbón, biomasa y, sobre todo, residuos de la producción de pulpa y papel, que se transforman en líquido a baja presión.

Biometanol a partir de algas unicelulares

Esta sustancia es un análogo del metanol común, ampliamente utilizado para producir varios compuestos químicos (ácido acético, formaldehído), así como anticongelante y disolvente.

La primera vez que se planteó la producción de este tipo de biocombustible fue en la década de 1980, cuando un grupo de científicos propuso obtener una sustancia líquida mediante la transformación bioquímica del fitoplancton marino, que se cultivaría en estanques especiales.

El biometanol tiene varias ventajas potenciales:

• alta eficiencia energética – 14 al obtener metano, 7 al producir metanol;
• excelente productividad del fitoplancton – hasta 100 toneladas por hectárea al año;
• poca exigencia de los organismos unicelulares, que no necesitan agua dulce ni suelos fértiles para su cultivo;
• conservación de los recursos agrícolas, ya que el fitoplancton se cultiva en estanques o bahías marinas.

Aunque la producción industrial de biometanol aún no se ha establecido, actualmente se realizan investigaciones y desarrollos tecnológicos para impulsar la producción de este tipo de combustible alternativo.

Biodiésel como alternativa al combustible para el transporte

Este es un biocombustible líquido para motores, compuesto por una mezcla de ésteres de ácidos grasos. La sustancia es segura para humanos y animales, se descompone casi completamente en el suelo en 28 días y tiene un punto de inflamación relativamente alto (<100).

El biodiésel reduce el porcentaje de emisiones de gases nocivos y también prolonga la vida útil del motor, ya que contiene componentes lubricantes.

El combustible se utiliza para repostar motores de automóviles tanto solo como en combinación con combustible convencional. Solo se debe tener en cuenta el corto período de almacenamiento de la sustancia biológica: después de tres meses comienza la descomposición de la sustancia biológica con la pérdida total de sus propiedades.

Para el biodiésel en los países de la UE se adoptó una norma especial EN14214. En varios países también está vigente la norma EN590, que permite la adición de un 5% de biodiésel a otros combustibles.

Tipo n.º 3: gaseoso

Entre las principales variedades de biocombustible gaseoso se encuentran el biogás y el biohidrógeno.

El biogás como sustituto del gas natural

El biogás es un análogo casi completo del gas natural: contiene 13-50% de CO₂, 49-87% de metano, así como impurezas de H₂ y H₂S. Si se purifica esta sustancia de dióxido de carbono, se puede obtener biometano.

El biocombustible gaseoso se fabrica a partir de biomasa mediante fermentación de hidrógeno o metano. Esta última es provocada por tres tipos de microorganismos: primero, la materia prima es sometida a la acción de bacterias hidrolíticas, que luego son reemplazadas por microbios acidogénicos y metanogénicos.

La producción de biogás puede realizarse en instalaciones industriales y artesanales. El método de producción más común es la fermentación anaeróbica en tanques de metano.

Como materia prima pueden utilizarse diversos materiales: ensilaje, estiércol, algas, aguas residuales, gallinaza, residuos fecales, desechos domésticos. La sustancia original se homogeniza y luego, con ayuda de un cargador, se coloca en el reactor.

Allí se mantiene una temperatura confortable de +35-38°C, necesaria para llevar a cabo el proceso de fermentación metánica.

La materia prima se agita constantemente, mientras que el producto gaseoso resultante se desvía a un gasómetro (depósito de almacenamiento), desde donde pasa a un generador eléctrico.

Más información sobre la obtención de biogás a partir de estiércol y el montaje de una planta de biogás se encuentra en los artículos:

1. Cómo hacer biocombustible casero a partir de estiércol en condiciones domésticas
2. Planta de biogás para una casa particular hágalo usted mismo: recomendaciones para su construcción y ejemplo de montaje de una instalación casera

Biohidrógeno obtenido por método químico

Una variedad de biocombustible gaseoso, que es un análogo del hidrógeno convencional, se obtiene a partir de biomasa mediante métodos bioquímicos o termoquímicos.

En el método termoquímico, la materia prima preparada (por ejemplo, residuos de madera) se calienta a una temperatura de 500-800°C sin acceso de oxígeno, liberándose gases H₂, CO, CH₄.

Un método prometedor para producir biohidrógeno es la biofotólisis. En este caso, el gas se produce mediante algas que se colocan en agua de mar, aguas residuales

En el método bioquímico, la materia prima se mantiene en condiciones cómodas a presión normal y temperatura de aproximadamente 30 °C.

En la biomasa se introducen microorganismos especiales Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, que descomponen el producto original liberando hidrógeno. Para acelerar la producción mediante polisacáridos, se permite la adición de enzimas.

Conclusiones y video útil sobre el tema

En el video que se muestra a continuación se puede ver el proceso de fabricación de un tipo popular de biocombustible – briquetas de madera:

Los tipos de biocombustible no solo se diferencian por su estado físico, sino también por sus características. Al elegir estos materiales, es necesario tener en cuenta su uso previsto, eficiencia, propiedades funcionales y costo.

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