15.13: Energía de Biomasa

La biomasa y los combustibles líquidos y gaseosos elaborados por su procesamiento son las fuentes más prometedoras de energía renovable para el transporte4Como se señaló anteriormente en este capítulo, la fotosíntesis,

\[\ce{6CO2 + 6H2O (solar \: energy, } h \nu \ce{) \rightarrow C6H12O6 (glucose \: carbohydrate) + 6O2}\]

permite la conversión de energía solar en energía química en forma de biomasa. La biomasa generada fotosintéticamente suministra la energía alimentaria para esencialmente todos los organismos y, hasta hace unos 200 años, era la fuente de mayor cantidad de combustible. Además de la leña y el carbón vegetal, los biocombustibles, incluyen residuos forestales; subproductos agrícolas; pastos de rápido crecimiento como pasto eléctrico; estiércol de ganado; gas metano producido por fermentación anóxica de biomasa; bioetanol de fermentación de azúcar elaborado a partir de caña de azúcar, remolacha azucarera, y almidón de maíz; y biodiesel sintetizado a partir de aceites vegetales. Como se muestra en la Figura 15.6, la fotosíntesis adolece de la desventaja de tener menos de 0.5% de eficiencia en la conversión de la energía solar en energía química (aunque algunas plantas, sobre todo la caña de azúcar, convierten la energía solar en energía de biomasa con una eficiencia de alrededor de 0.6%). A pesar de las limitaciones de la fotosíntesis en la captura de energía, la biomasa es la fuente de energía predominante en muchas regiones en desarrollo del mundo donde aproximadamente dos mil millones de personas dependen de la madera para sus fuentes primarias de energía doméstica, especialmente para cocinar. Hoy en día, más del 14% de la energía primaria mundial proviene de los biocombustibles, especialmente la leña y el carbón vegetal de la madera. Finlandia obtiene una porción significativa de su energía al quemar el subproducto de licor negro de la fabricación de pulpa y papel, que utiliza la madera como materia prima.

Adecuadamente utilizada, la biomasa es una fuente de energía en gran parte no contaminante. Al ser producido por fotosíntesis, no hay adición neta al dióxido de carbono atmosférico global. Aunque el valor calorífico de la biomasa seca es solo aproximadamente la mitad del del carbón, la combustión de biomasa produce muy poco dióxido de azufre, y el residuo de ceniza que contiene nutrientes minerales puede ser devuelto al suelo sin agregar metales pesados dañinos, lo que puede ser un problema con las cenizas de carbón.

Los tipos de biomasa que se pueden utilizar como combustible se encuentran en las cuatro categorías de (1) materiales lignocelulósicos de plantas perennes, residuos de cultivos, madera y residuos biológicos; (2) almidón de maíz y otros granos; (3) azúcares de caña de azúcar y remolacha azucarera; y (4) aceites de soja, colza y aceite de palma. Estas fuentes potenciales se abordan aquí.

Como se muestra en la Reacción 15.13.1, los carbohidratos, como la glucosa, C ₆ H ₁₂ O ₆, son producidos por fotosíntesis. Pueden quemarse directamente, convertirse químicamente en otros combustibles o fermentarse para producir combustible de alcohol etílico. Los hidrocarburos son más deseables como combustibles, y algunas plantas los producen directamente. Un ejemplo es la planta filipina, Pittsosporum reiniferum, cuyos frutos contienen un contenido tan alto de terpenos hidrocarbonados, principalmente α-pineno y mirceno, que pueden quemarse para proporcionar iluminación. Los árboles de caucho y otras plantas, como Euphorbia lathyrus (planta gopher), un pequeño arbusto que crece silvestre en California, producen emulsiones de hidrocarburos. Los aceites de semillas, como los producidos por girasoles y cacahuetes, y fuentes más exóticas, como la calabaza de búfalo, las cucurbitáceas y el sebo chino, se pueden usar como combustible, especialmente en motores diesel.

A pesar de las preocupaciones de que no se pueda cultivar suficiente biomasa para producir combustible y que resta valor a los suministros de alimentos, cabe señalar que cada año se producen alrededor de 150 mil millones de toneladas métricas de biomasa en el mundo por fotosíntesis, en su mayoría por crecimiento incontrolado de las plantas. El maíz, el cultivo de campo común más productivo produce alrededor de 4 toneladas métricas por acre de biomasa seca anualmente (incluyendo tallos, hojas, cáscaras y mazorcas de maíz). Switchgrass, un prolífico productor de biomasa, generalmente genera 11-12 toneladas de biomasa por acre al año (hay 640 acres en una milla cuadrada de tierra). Alrededor del 6% de la biomasa generada globalmente cada año equivaldría a la demanda mundial de combustibles fósiles. El cultivo para biomasa de combustible del 6-8% de la superficie terrestre de los 48 estados contiguos proporcionaría energía equivalente al consumo anual de petróleo y gas natural en Estados Unidos. Además, solo una pequeña fracción de los cultivos de grano ampliamente cultivados se destina al grano; el resto es biomasa vegetal, gran parte de la cual podría ser utilizada para la producción de energía. Y Estados Unidos tiene vastas áreas de tierra subutilizada que podrían dedicarse al cultivo de plantas productoras de energía. Gran parte de esta tierra descuidada y propensa a la erosión se beneficiaría del cultivo de plantas perennes que podrían cosecharse para obtener energía y volver a crecer de las raíces dejadas en el suelo, disminuyendo así la erosión hídrica y eólica.

Un aspecto potencialmente importante de la producción de combustible de biomasa que podría mejorar su economía y aceptabilidad ambiental es la coproducción de proteínas que pueden ser utilizadas para alimentar a los animales. Ahora la mayor parte de la proteína utilizada para la alimentación proviene del grano, particularmente la soja y el maíz. Sin embargo, las leguminosas (especialmente la alfalfa) y las gramíneas perennes y anuales generan cantidades significativas de proteína foliar. Este material puede aislarse exprimiendo jugo rico en proteínas de hojas de plantas recién molidas y calentando el jugo para precipitar la proteína. El material fibroso restante puede ser utilizado como materia prima para la síntesis de biocombustibles.

Producción Prolífica de Biomasa de Algas

Las algas microscópicas unicelulares (microalgas) y las bacterias fotosintéticamente capaces (cianobacterias) que crecen en el agua pueden producir fácilmente 10 veces más biomasa por unidad de área que las plantas terrestres. Además de su prolífica productividad, las microalgas ofrecen varias ventajas potenciales para la generación de biocombustibles. Estas ventajas incluyen la alta producción de aceites y lípidos (30-60% de la masa seca de algas), la capacidad de crecer en áreas no adecuadas para plantas terrestres, la capacidad de crecer en agua salina, incluida el agua de mar, el crecimiento de aguas residuales ricas en nutrientes y la capacidad de crecer en agua enriquecida en dióxido de carbono disuelto, como de fuentes de combustión. Concentradas por centrifugación y suspendidas en agua u otro líquido, las microalgas se pueden introducir como una emulsión fluida en biorrefinerías ofreciendo ventajas de procesamiento sobre las fuentes de biomasa soli.d. Debido a estas ventajas, es probable que las microalgas se conviertan en la fuente predominante de biocombustibles en el futuro.

Combustibles de Fermentación de Biomasa

La fermentación biológica puede ser utilizada para producir combustibles a partir de biomasa. Las levaduras actúan sobre los carbohidratos,

\[\ce{C6H12O6 \rightarrow 2C2H5OH + 2CO2}\]

para producir etanol, C ₂ H ₅ OH. Este alcohol líquido se puede usar solo como combustible, pero generalmente se agrega a la gasolina en niveles de alrededor del 10% para producir gasohol, que quema más limpiamente y con menor producción de CO que la gasolina ordinaria. La fuente de carbohidratos para la producción de etanol suele ser el grano de maíz o el azúcar producido por la caña de azúcar. El etanol a base de granos ha experimentado un fuerte crecimiento en Estados Unidos y algunos otros países en los últimos años, gran parte debido a iniciativas legislativas. Sin embargo, el rendimiento energético neto de esta fuente es muy bajo y su producción compite con los cultivos alimentarios, por lo que no es un medio muy sustentable para producir combustible. El etanol de los azúcares de caña de azúcar es significativamente más competitivo en Brasil, un prolífico productor de caña de azúcar.

Otra fermentación de biomasa ocurre con bacterias formadoras de metano,

\[\ce{C6H12O6 \rightarrow 3CH4 + 3CO2}\]

para producir gas metano, CH ₄. La mezcla de gases producida por este proceso bioquímico se puede quemar directamente, o el dióxido de carbono se puede eliminar para producir gas metano puro. Los digestores de metano anóxico (libres de oxígeno) utilizados para degradar la biomasa en los lodos de aguas residuales, el residuo del tratamiento biológico de las aguas residuales, pueden generar suficiente energía para satisfacer las necesidades de bombeo y electricidad de una gran planta de tratamiento de aguas residuales. Pequeños digestores de metano que funcionan con residuos de cultivos y alimentos y desechos humanos y animales se utilizan en las zonas rurales de China para proporcionar metano para cocinar e iluminar.

Combustible Biodiesel

El combustible biodiesel es un líquido combustible sintetizado a partir de lípidos, principalmente los de semillas oleaginosas vegetales como la soja. El combustible diesel del petróleo consiste en hidrocarburos de alta masa molecular que contienen 10-20 átomos de C generalmente en una cadena lineal. La mayoría de los lípidos de las plantas son ésteres de ácidos grasos de glicerol, como el triglicérido de ácido esteárico que se muestra en el Capítulo 7, Figura 7.5. El examen de esta fórmula muestra que las entidades de ácidos grasos en ella son predominantemente hidrocarburos de cadena lineal excepto los grupos carboxilato que contienen oxígeno a través de los cuales se unen al alcohol de glicerol. La hidrólisis del triglicérido y la esterificación con metanol producen ésteres líquidos tales como estearato de metilo,

que tienen las características de combustión necesarias para el combustible diesel. Además del estearato de metilo, el combustible biodiesel contiene ésteres metílicos de otros ácidos grasos incluyendo ácido linoleico, ácido oleico, ácido láurico y ácido behénico. A diferencia del etanol, que no puede transportarse a través de los sistemas de tuberías existentes porque absorbe agua, por lo tanto es corrosivo, y debe ser mezclado con gasolina en el punto de distribución, el biodiesel puede manejarse a través de las instalaciones existentes.

El combustible biodiesel se puede sintetizar a partir de aceites extraídos de colza (la principal fuente en Europa), soja (predominante en Estados Unidos), girasol, palma, coco y jatrofa. Tanto la colza como la soja dejan un subproducto rico en proteínas después de que se ha eliminado el aceite que es una buena fuente de alimento para los animales. El aceite de palma, el aceite de coco y la jatrofa (de Jatropha curcus, plantada para setos) son fuentes de aceite atractivas para la producción de biodiesel porque provienen de plantas perennes que prosperan en los trópicos. Desafortunadamente, el crecimiento explosivo de las plantaciones de palma aceitera en Malasia e Indonesia ha dado como resultado altos niveles de destrucción de la selva tropical.

Como se señaló anteriormente, las microalgas son prolíficos productores de biomasa y estos organismos pueden tener contenidos de aceite superiores al 50% haciendo que las algas sean atractivas para la producción de combustible biodiesel. Mientras que la producción anual de biodiesel a partir de soja puede llegar a 200 litros por acre y a partir de aceite de palma 2,500 litros por acre, las proyecciones optimistas para la producción de biodiesel a partir de algas son de hasta 40,000 litros por acre anualmente. Además, como se señaló anteriormente, las algas pueden producirse en tierras desérticas y en agua salada, por lo que no compiten con los cultivos alimentarios.