Proyecto Final: Producción de Bioetanol

Proyecto Final:
Producción de Bioetanol
Laboratorio de Procesos de Separación
Equipo 4
Verano 2008
México D.F., 2 de julio de 2008
Alumnos:
Francisco José Guerra Millán
fjguerra@mac.com
Cecilia Mallén Wiechers
ceci mallen@yahoo.com
Adelwart Struck Garza
adelwartsg@hotmail.com
Tamara Varela Vega
tammy varela@yahoo.com
Asesor:
Dr. Iván Martı́nez Cienfuegos
imartinezc@ii.unam.mx
Resumen
En la actualidad hablar de energı́a y no hablar de biocombustibles es
casi imperdonable. El mercado de biocombustibles crece con pasos agigantados, mientras los avances tecnológicos procuran mantener ese ritmo de
crecimiento. Es por ello que a lo largo de este proyecto se estudia la producción de etanol en todas sus etapas; desde la fermentación del almidón
de trigo, hasta la purificación del etanol. Si bien la concentración final
obtenida es lejana al grado anhidro, el trabajo plantea un amplio panorama para su producción, utilizando una mateira prima poco estudiada. El
proceso seguido se detalla a lo largo del presente trabajo.
Universidad Iberoamericana
Laboratorio de Procesos de Separación, Verano 2008
Índice
1. Objetivos
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2. Introducción
4
3. Aspectos Generales
3.1. Antecedentes del Bioetanol . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Mercado del Etanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. ¿Por qué se desarrolló un mercado de etanol?
3.3. Estado Actual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1. Perspectiva mundial . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2. Perspectiva en México . . . . . . . . . . . . .
3.4. Aplicaciones del Bioetanol . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1. Ventajas en el uso de bioetanol . . . . . . . .
3.4.2. Inconvenientes en el uso de bioetanol . . . . .
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4. Marco Teórico
4.1. Bioetanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Producción de Etanol a partir de Almidón de Trigo . .
4.2.1. Subproductos de la obtención del bioetanol . .
4.3. Producción Industrial de Alcohol a partir de Almidón
4.4. Balance Energético de la Producción de Bioetanol . .
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5. Procedimiento Experimental
5.1. Pruebas Preeliminares . . . . . . . . .
5.1.1. Solución Almidón de Trigo . .
5.1.2. Prueba de Yodo . . . . . . . .
5.1.3. Prueba de Azúcares Reductores
5.2. Hidrólisis de Almidón de Trigo . . . .
5.3. Experimentación de la Cinética . . . .
5.4. Pruebas de Alcohol . . . . . . . . . . .
5.4.1. Curva de calibración . . . . . .
5.5. Destilación y Purificación . . . . . . .
5.5.1. Primera y Segunda Destilación
5.5.2. Primera y Segunda Purificación
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6. Resultados
6.1. Pruebas Preeliminares
6.2. Balance de Masa . . .
6.3. Fermentación . . . . .
6.4. Etapas de Purificación
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7. Conclusiones
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A. Fuentes de Energı́a Alternativas
A.1. Energı́a Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.1.1. Central eólica de La Venta, Oaxaca . .
A.2. Energı́a Hidráulica . . . . . . . . . . . . . . .
A.2.1. Presa de las Tres Gargantas . . . . . .
A.3. Energı́a Oceánica o Maremotriz . . . . . . . .
A.3.1. La central maremotriz de La Rance en
A.4. Energı́a Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.4.1. Central eléctrica Sanlúcar la Mayor . .
A.5. Energı́a Geotérmica . . . . . . . . . . . . . .
A.5.1. The Geysers . . . . . . . . . . . . . . .
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1.
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Objetivos
Obtener etanol a partir de la fermentación de almidón de trigo en el laboratorio.
Plantear un panorama técnico y económico del bioetanol en México y el
mundo.
2.
Introducción
En la actualidad hablar de energı́a y no hablar de biocombustibles es casi
imperdonable. El tema del calentamiento global es de igual forma uno de los
más mencionados, no sólo en el argot polı́tico, sino entre la comunidad cientı́fica.
Los aumentos en la temperatura del planeta han sido el principal motor de
una serie de teorı́as alrededor de los gases invernadero y sus efectos demoledores
para el planeta. Para solucionar, o por lo menos parchar temporalmente este
grave problema, una de las herramientas más aceptadas social y cientı́ficamente
es la sustitución de los combustibles fósiles por energı́as alternativas y concretamente, hoy en dı́a la más viable, la producción de bioetanol.
El mercado de biocombustibles crece con pasos agigantados, mientras los
avances tecnológicos procuran mantener ese ritmo de crecimiento. Es por ello
que a lo largo de este proyecto se estudia la producción de etanol en todas
sus etapas; desde la fermentación del almidón de trigo, hasta la purificación del
etanol, buscando idealmente una solución anhidra. Si bien esta última condición
no se cumplió, se llevaron a cabo todas las etapas. El proceso se describe a detalle
a lo largo del trabajo.
3.
3.1.
Aspectos Generales
Antecedentes del Bioetanol
1908: Henry Ford diseñó el primer automóvil que empleó bioetanol.
1920: Se comercializó en USA un 25 % de bioetanol en la gasolina.
1930: Construcción de una planta de etanol a partir de maı́z al que llamaron “gasohol”.
1940: Cierre de la planta de gasohol, por los bajos precios del petróleo.
1970’s: Crı́sis del petróleo.
1980’s: Surgen polı́ticas energéticas en busca de alternativas a la dependencia de los combustibles fósiles.
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3.2.
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Mercado del Etanol
3.2.1.
¿Por qué se desarrolló un mercado de etanol?
La década de los 90 fue la más cálida desde que se tienen registros. El siglo pasado, la Tierra se calentó 0.6 ◦ C pero, según el Panel Internacional sobre
Cambio Climático (PICC), las temperaturas aumentarán todavı́a más: de entre
1.4 ◦ C y 5.8 ◦ C para el año 2100.
Ello se deberı́a en gran parte a las crecientes emisiones de gases, en especial
el dióxido de carbono generado por petróleo, que producen el efecto invernadero.
Por ello, se ha invertido en distintas alternativas a través de los biocombustibles
y en especial etanol, que representa el 90 % de ellos y es producido principalmente en Brasil.
Existen distintas razones por las cuales se debe desarrollar el bioetanol como
combustible:
Energı́a: sustituir combustibles basados en petróleo para aumentar la seguridad energética, disminuir la dependencia frente a la volatilidad de los
precios de petróleo, bajar los costos de combustibles o de las importaciones, disminuir la dependencia de paı́ses polı́ticamente inestables.
Medio Ambiente: disminuir daños ambientales relacionados con la cadena del petróleo, como por ejemplo los derrames de petróleo, además
de reducir la contaminación. Es importante mencionar que el etanol contamina un 60 % menos que la gasolina, una cifra que algunos expertos
consideran que podrı́a ser todavı́a mayor.
Desarrollo Rural y Agrı́cola: apoyar a la agricultura nacional, mejorar la situación económica de las áreas rurales y de los ingresos de los
agricultores.
El etanol también utilizado por aprovechando sus propiedades desinfectantes, sin embargo, el principal mercado a futuro se encuentra enfocado en su
aplicación como combustible debido a las grandes ventajas que ofrece en esta
rama.
3.3.
3.3.1.
Estado Actual
Perspectiva mundial
Los biocombustibles, a pesar de su gran expansión en los últimos años, cubren apenas al 1 % del consumo total de combustibles para el transporte. Sin
embargo, algunos paı́ses han llegado a porcentajes más altos de substitución.
Brasil llega a casi 50 % en gasolina y EE.UU., segundo productor de etanol,
al 2.5 %. En Brasil, el total de la substitución de los combustibles en base a
petróleo llega actualmente a un poco más del 20 % mientras que en EE.UU. es
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apenas del 1.8 %.
Muchos paı́ses han establecido metas ambiciosas para la substitución como:
Japón: 20 % de la demanda de petróleo con biocombustibles y gas licuado
hasta 2030 (mandato previsto).
Canadá: mezcla de 10 % etanol en 45 % de la gasolina hasta 2010.
Unión Europea: mezcla de 5.75 % en todos los combustibles (diesel y gasolina) hasta 2010 en todos los paı́ses miembros.
Estados Unidos: El “Renewable Fuels Standard (RFS)”, exige el uso de
28.4 billones de litros de etanol en 2012.
Brasil: mezcla de biodiesel de 2 % hasta 2008, y 5 % hasta 2013 (mandato).
Colombia: Mezcla de 10 % en gasolina en ciudades mayores de 500.000
habitantes en 2006 (mandato).
Venezuela: Mezcla de 10 % en gasolina.
China: Mezcla de 10 % en gasolina en cinco provincias.
Tabla 3.1: Principales productores de bioetanol en el mundo (2005).
Paı́s
Brasil
Estados Unidos
China
Unión Europea
India
Producción (millones de litros)
16,500
16,230
2,000
950
300
La Tabla 3.1 muestra a los principales productores de bioetanol en el mundo. Resulta de gran importancia considerar que EE.UU. y la Unión Europea no
podrı́an ser autosuficientes en biocombustibles considerando la tecnologı́a actual. Si quieren cumplir con las metas establecidas o por establecerse, tendrán
que importar parte de los biocombustibles, bajar las restricciones comerciales y
establecer ası́ un mercado global.
América Latina es una de las regiones con más potencial para ofrecer biocombustibles, y etanol en especial, dadas sus ventajas climáticas combinadas
con una baja densidad poblacional. Ası́ se refleja si comparamos los mayores
productores de etanol, Brasil y EE.UU., que producen el 80 % de la oferta mundial.
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Para producir el mismo volumen de etanol, EE.UU. necesita el doble del
área de maı́z que Brasil con caña de azúcar. Por tanto, para implementar una
mezcla del 10 % en la gasolina, EE.UU. tendrı́a que transformar la mitad de la
producción de maı́z en etanol, utilizando un 15 % de su tierra agrı́cola para la
producción de etanol. Brasil, por el contrario, con el 1 % o 1.5 % de sus tierras
actualmente cultivadas, podrı́a reemplazar totalmente su gasolina por etanol.
Para producir el etanol necesario para sustituir 10 % de gasolina en Estados
Unidos, Brasil necesitarı́a el 3 % de su tierra actualmente utilizada para agricultura. Sin embargo, esto podrı́a cambiar en cinco a 10 años, una vez creada
la posibilidad de producir etanol en base a celulosa a gran escala.
Por otro lado, Universidad de Toronto concluye que no será posible aumentar
la producción de etanol con base en maı́z en EE.UU. más allá de una substitución del 15 % del consumo de gasolina. Sólo con la producción de etanol de
celulosa serı́a posible llegar a niveles más altos, de hasta el 50 % de reemplazo
de la gasolina, utilizando materia prima producida en EE.UU.
Es importante también mencionar la barrera económica. El etanol brasileño
es competitivo si el barril de petróleo se mantiene a un precio mayor de US$40,
US$60 en el caso del etanol de EE.UU. y US$80 con el europeo. Los expertos
pronostican que el rango de precios por barril en 2010 va desde US$30 hasta
US$100.
3.3.2.
Perspectiva en México
En México existe la polı́tica de apoyar los proyectos para la producción integral de etanol y reducir la importación de gasolinas que ya alcanza el 60 %.
Recientemente se publicó en la Conferencia de Alto Nivel Sobre la Seguridad Alimentaria Mundial un comunicado del titular de la Secretarı́a Agricultura,
Ganaderı́a, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (Sagarpa). En éste se dijo
que México pondrá en marcha este año un “fuerte” programa de producción de
biocombustibles. Además, se añadió que en 2010, comenzará a usar el bioetanol
en vehı́culos de Guadalajara y Monterrey, y para el 2011 se utilizará en la ciudad
de México.
De acuerdo a lo pactado, el bioetanol será usado como aditivo para gasolina,
sustituyendo al oxigenante MTB. México puede ser un jugador muy importante
a nivel mundial en el renglón de los biocombustibles con otro tipo de cultivo,
rechazando el uso de alimentos básicos para generar bioenergéticos, remarcando
ası́ que México está a favor de los bioenergéticos, pero sin poner en riesgo la
alimentación humana ni alterar la ecuación energética ambiental. La producción
de bioetanol será a partir de caña de azúcar, y no con maı́z como lo hace Estados
Unidos.
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3.4.
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Aplicaciones del Bioetanol
E5: El biocombustible E5 significa una mezcla del 5 % de bioetanol y el
95 % de gasolina normal. Esta es la mezcla habitual y mezcla máxima
autorizada en la actualidad por la regulación europea, sin embargo, es
previsible una modificación de la normativa europea que aumentará este
limite al 10 % (E10) ya que diferentes estudios constatan que los vehı́culos
actuales toleran sin problemas mezclas hasta el 10 % de bioetanol y los
beneficios para el medioambiente son significativos.
E10: El biocombustible E10 significa una mezcla del 10 % de bioetanol
y el 90 % de gasolina normal. Esta mezcla es la más utilizada en EEUU
ya que hasta esta proporción de mezcla los motores de los vehı́culos no
requieren ninguna modificación y e incluso produce la elevación del un
octano en la gasolina mejorando su resultado y obteniendo una notable
reducción en la emisión de gases contaminantes.
E85: Mezcla de 85 % de bioetanol y 15 % de gasolina, utilizada en vehı́culos con motores especiales. En EE.UU. las marcas más conocidas ofrecen
vehı́culos adaptados a estas mezclas. Tambien se comercializan, en algunos
paises (EE.UU., Brasil, Suecia) los llamados vehı́culos FFV o Vehı́culos
de Combustibles Flexibles con motores adaptados que permiten una variedad de mezclas. Los “Fuel Flexible Vehicles” (FFV) son vehı́culos de
turismo que pueden utilizar como combustible tanto gasolina convencional
derivada del petróleo como bioetanol en mezclas de hasta un 85 % (E85).
Por tanto, son vehı́culos totalmente polivalentes, que ofrecen la posibilidad de utilizar energı́a renovable en su máximo estado de mezcla sin la
necesidad de consumir más energı́a. Debido al respaldo de los gobiernos e
instituciones hacia el desarrollo de las energı́as renovables aplicadas en el
sector de la automoción, cada vez son más los fabricantes que investigan
y desarrollan vehı́culos de este tipo.
E95 y E100: Mezclas hasta el 95 % y 100 % de bioetanol son utilizados en
algunos paises como Brasil con motores especiales.
E-DIESEL: El bioetanol permite su mezcla con gasoil utilizando un aditivo
solvente y produciendo un biocombustible diesel el E-Diesel, con muy buenas caracterı́sticas en cuanto a combustión y reducción de contaminación
ofreciendo ası́ otras alternativas al bioetanol en el campo de los vehı́culos
diesel. El E-Diesel ya se comercializa con éxito en EEUU y Brasil y pronto
hará su aparición en España y Europa.
ETBE: No se comercializa como un biocombustible, sino que se utiliza
como un aditivo de la gasolina. El ETBE (etil-terbutil éter) se obtiene por
sı́ntesis del bioetanol con el isobutileno, subproducto de la destilación del
petróleo. El ETBE posee las ventajas de ser menos volátil y más miscible
con la gasolina que el propio etanol y, como el etanol, se aditiva a la
gasolina en proporciones del 10-15 %. La adición de ETBE o etanol sirve
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para aumentar el ı́ndice de octano de la gasolina, evitando la adición de
sales de plomo.
3.4.1.
Ventajas en el uso de bioetanol
Generar etanol a partir de productos agrı́colas presenta varias ventajas:
Es una fuente de combustible renovable.
Reduce dependencia del petróleo del extranjero.
Es una fuente más limpia de combustible.
Aumenta el octano del combustible con un coste pequeño.
Virtualmente utilizable en todos los vehı́culos.
Fácil de producir y almacenar.
Los biocarburantes emiten un 40-80 % menos de gases invernaderos que
los combustibles fósiles.
El bioetanol es superior medioambientalmente al resto de los carburantes
más importantes.
Reduce la formación de la lluvia ácida.
Mejora la calidad del aire en zonas urbanas.
No contamina el agua.
Con su producción puede reducirse los residuos.
En mezcla con gasolina, aumenta el número de octanos y promueve una
mejor combustión.
Reduce las emisiones contaminantes como monóxido de carbono (CO) e
hidrocarburos, con un bajo costo. Se estima que la reducción es de 40 a
80 % menos de gases invernadero que los combustibles fósiles.
Es virtualmente utilizable en todos los vehı́culos con motor a gasolina.
3.4.2.
Inconvenientes en el uso de bioetanol
Para poder utilizar el bioetanol como combustible puro (E100) se necesita
llevar a cabo varias modificaciones dentro del motor, y ası́ no alterar significativamente el consumo. Estas son:
Aumentar la relación de compresión.
Variar la mezcla de combustible / aire.
Bujı́as resistentes a mayores temperaturas y presiones.
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Conductos resistentes al ataque de alcoholes.
Se debe agregar un mecanismo que facilite el arranque en frı́o.
4.
Marco Teórico
4.1.
Bioetanol
El alcohol etı́lico o etanol es un producto quı́mico obtenido a partir de la
fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, tales
como cereales, remolacha, caña de azúcar, sorgo o biomasa. Estos azúcares están
combinados en forma de sacarosa, almidón, hemicelulosa y celulosa. Las plantas
crecen gracias al proceso de fotosı́ntesis, en el que la luz del sol, el dióxido de
carbono de la atmósfera, el agua y los nutrientes de la tierra forman moléculas
orgánicas complejas como el azúcar, los hidratos de carbono y la celulosa, que
se concentra en la parte fibrosa la planta.
El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la
materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado,
con un contenido aproximado del 5 % de agua, que tras ser deshidratado se
puede utilizar como combustible.
Hidrólisis
Fermentación
Almidón −−−−−−→ Azúcar −−−−−−−−→ Etanol
Mediante la fermentación directa de productos azucarados:
Enzimas
C6 H12 O6 −−−−−→ 2CH3 CH2 OH(l) + 2CO2 (g) + H2 O(l)
El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto
poder energético con caracterı́sticas muy similares a la gasolina pero con una
importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones
del 5 o el 10 %, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en
los motores actuales.
Un obstáculo importante es la legislación europea sobre la volatilidad de las
gasolinas que fija la proporción de etanol en mezclas E5. Concentraciones más
elevadas, autorizadas en Suecia y Estados Unidos, implica que se debe disponer
de un vehı́culo flexible (FFV), con un depósito, motor y sistema de combustible
único capaz de funcionar con gasolina y etanol, solos o mezclados en cualquier
proporción. La otra alternativa para su uso es en forma de aditivo de la gasolina como etil-terbutil éter (ETBE). Las especificaciones para la utilización de
bioetanol se compendian en la norma Europea de Gasolinas EN 228, en España
se encuentra transpuesta la Directiva 2003/17/CE relativa a la calidad de las
gasolinas y gasóleo, en el Real Decreto R.D. 61/2006 de las especificaciones y
uso de biocarburantes.
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De esta forma, los principales objetivos de la producción de bioetanol son:
Preparar mezclas con gasolina en lugar de otros aditivos como el ETBE
(etil-terbutil éter) o el MTBE (metil-terbutil éter) en proporciones superiores al 5 %.
Usarlo como carburante en mezclas con gasolina hasta un 85 %.
Suministrarlo como materia prima en la producción del ETBE.
Las principales fuentes actuales de producción de bioetanol a nivel mundial
son en orden alfabético:
Caña de azúcar
Maı́z
Remolacha
Sorgo dulce
Yuca
4.2.
Producción de Etanol a partir de Almidón de Trigo
El esquema general de fabricación del bioetanol (Figura 4.1), muestra las
siguientes fases en el proceso:
Dilución: Es la adición del agua para ajustar la cantidad de azúcar en
la mezcla o (en última instancia) la cantidad de alcohol en el producto.
Es necesaria porque la levadura, usada más adelante en el proceso de
fermentación, puede morir debido a una concentración demasiado grande
del alcohol.
Conversión: La conversión es el proceso de convertir el almidón/celulosa en
azúcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos
de enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidón (o de
la celulosa) con el ácido en un proceso de hidrólisis ácida.
Fermentación: La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente. De la fermentación alcohólica se
obtienen un gran número de productos, entre ellos, el alcohol.
Destilación o Deshidratación: La destilación es la operación de separar,
mediante calor, los diferentes componentes lı́quidos de una mezcla (etanol/agua). Una forma de destilación, conocida desde la antigedad, es la
obtención de alcohol aplicando calor a una mezcla fermentada.
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Figura 4.1: Esquema general de fabricación de bioetanol.
4.2.1.
Subproductos de la obtención del bioetanol
Los subproductos generados en la producción de bioetanol, ası́ como el volumen de los mismos, dependen en parte de la materia prima utilizada. En general
se pueden agrupar en dos tipos:
Materiales lignocelulósicos: tallos, bagazo, etc., correspondientes a las partes estructurales de la planta. En general se utilizan para valorización
energética en cogeneración, especialmente para cubrir las necesidades energéticas de la fase de destilación del bioetanol, aunque también se puede vender
el excedente a la red eléctrica (con precio primado).
Materiales alimenticios: pulpa y granos de destilerı́a de maı́z desecados con
solubles (DDGS), que son los restos energéticos de la planta después de la
fermentación y destilación del bioetanol. Tienen interés para el mercado
de piensos animales por su riqueza en proteı́na y valor energético.
La caña de azúcar es la planta más aprovechable por el bagazo generado para
su combustión y generación energética. La remolacha azucarera genera, por su
parte, unas 0.75 ton de pulpa por tonelada de bioetanol producido.
La producción de bioetanol a partir de trigo o maı́z genera en torno a 1.2 ton
de DDGS por tonelada de bioetanol. En general, existen dos filosofı́as alimenticias en cuanto al empleo del DDGS. Cuando el pienso está en el 15 % o menos
de la dieta, el DDGS sirve como una fuente de proteı́na suplementaria. Cuando
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12
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el pienso está en los niveles más altos (superior al 15 % de la dieta de la materia
seca) su papel primario es como fuente de energı́a. El DDGS está compuesto de
grasa –en un 10-15 %–, de fibra neutra detergente –en un 40-55 %–, de proteı́na
de crudo (CP) –en un 30-35 %– y de ceniza en un 5 %.
4.3.
Producción Industrial de Alcohol a partir de Almidón
Figura 4.2: Esquema general de producción industrial de bioetanol.
4.4.
Balance Energético de la Producción de Bioetanol
Para que el etanol contribuya perceptiblemente a las necesidades de combustible para el transporte, necesitarı́a tener un balance energético neto positivo.
Para evaluar la energı́a neta del etanol hay que considerar cuatro variables: la
cantidad de energı́a contenida en el producto final del etanol, la cantidad de
energı́a consumida directamente para hacer el etanol, la calidad del etanol resultante comparado con la calidad de la gasolina refinada y la energı́a consumida
indirectamente para hacer la planta de proceso de etanol.
Aunque es un asunto que crea discusión, algunas investigaciones que hagan caso de la calidad de la energı́a sugieren que el proceso toma tanta o más
energı́a combustible fósil (en las formas de gas natural, diesel y de carbón) para
crear una cantidad equivalente de energı́a bajo la forma de etanol. Es decir,
la energı́a necesitada para funcionar los tractores, para producir el fertilizante,
para procesar el etanol, y la energı́a asociada al desgaste y al rasgón en todo el equipo usado en el proceso (conocido como amortización del activo por
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13
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los economistas) puede ser mayor que la energı́a derivada del etanol al quemarse.
Se suelen citar dos defectos de esta argumentación como respuesta, en primer lugar el no dar importancia a la calidad de la energı́a del bioetanol, cuyos
efectos económicos son importantes. Si se compara la calidad de la energı́a con
los costes de descontaminación del suelo que provocan los derrames de gasolina
al ambiente y los costes “médicos” de la contaminación atmosférica (porque no
se puede descontaminar la atmósfera), resultado de la refinación y de la gasolina quemada. Por otro lado, el desarrollo de las plantas de etanol implica un
prejuicio contra este producto basado estrictamente sobre la pre-existencia de
la capacidad de refinación de la gasolina. La decisión última se deberı́a fundar
sobre razonamientos económicos y sociales a largo plazo.
El primer argumento, sin embargo, sigue debatiéndose. No tiene sentido quemar 1 litro de etanol si requiere quemar 2 litros de gasolina (o incluso de etanol)
para crear ese litro. La mayor parte de la discusión cientı́fica actual en lo que al
etanol se refiere gira actualmente alrededor de las aplicaciones en las fronteras
del sistema. Esto se refiere a lo completo que pueda ser el esquema de entradas y
salidas de energı́a. Se discute si se deben incluir temas como la energı́a requerida
para alimentar a la gente que cuida y procesa el maı́z, para levantar y reparar
las cercas de la granja, incluso la cantidad de energı́a que consume un tractor.
Además, no hay acuerdo en qué clase de valor dar para el resto del maı́z,
como el tallo por ejemplo, lo que se conoce comúnmente como coproducto. Algunos estudios propugnan que es mejor dejarlo en el campo para proteger el
suelo contra la erosión y para agregar materia orgánica. Mientras que otros
queman el coproducto para accionar la planta del etanol, pero no evitan la erosión del suelo que resulta, lo cual requerirı́a más energı́a en forma de fertilizante.
Dependiendo del estudio, la energı́a neta varı́a de 0.7 a 1.5 unidades de etanol por unidad de energı́a de combustible fósil consumida. En comparación si el
combustible fósil utilizado para extraer etanol se hubiese utilizado para extraer
petróleo y gas se hubiesen llenado 15 unidades de gasolina, que es un orden de
magnitud mayor. Pero, la extracción no es igual que la producción. Cada litro
de petróleo extraı́do es un litro de petróleo agotado.
Para comparar el balance energético de la producción de la gasolina a la producción de etanol, debe calcularse también la energı́a requerida para producir
el petróleo de la atmósfera y para meterlo nuevamente dentro de la tierra, un
proceso que harı́a que la eficiencia de la producción de la gasolina fuese fraccionaria comparada a la del etanol. Se calcula que se necesita un balance energético
de 200 %, o 2 unidades de etanol por unidad de combustible fósil invertida, antes de que la producción en masa del etanol llegue a ser económicamente factible.
La Tabla 4.1 muestra el rendimiento de los cultivos utilizados para la producción de bioetanol. En la Tabla 4.2 se presenta la relación entre la energı́a
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14
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generada y la energı́a consumida para los mismos cultivos.
Tabla 4.1: Rendimiento de cultivos en la producción de alcohol.
Cultivo
Caña
Maı́z
Yuca
Sorgo
Remolacha
Trigo
Rendimiento
agrı́cola
[t /ha ]
120
85
29
50
60
1.41
Rendimiento
enalcohol
L
L
etanol
etanol
/t
/ha
84.5
10140
409
34765
182
5278
140
7000
200
12000
ND
ND
Tabla 4.2: Relación entre la energı́a generada y la energı́a consumida.
Caña
Entradas:
Sector Agricultura
Sector Industrial
Subtotal
Salidas:
Etanol
Subproductos
Subtotal
Salidas/Entradas
5.
Generación y uso de energı́a
kcal
/t
Maı́z
Yuca
Sorgo Remolacha
41995
8707
50702
570234
1478557
2048791
393013
574888
967901
71641
340281
411922
295522
156914
452436
489300
78600
567900
11.2
2109994
399011
2509005
1.22
995400
136134
1131534
1.17
77400
107367
881567
2.14
1106000
214171
1320171
2.92
Procedimiento Experimental
El procedimiento experimental que se llevó a cabo para la realziación de este
proyecto se muestra en forma esquemática en la Figura 5.1. Cada uno de los
pasos se describe detalladamente a lo largo de esta Sección.
1 Versión estenográfica de la Sesión Informativa Nacional del Pronóstico Climatológico y
Previsión de Cosechas para este año, de la Secretarı́a de Agricultura, Ganaderı́a, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación, efectuada el 19 de abril de 2005 en las instalaciones de la
dependencia. http://www.sagarpa.gob.mx/cgcs/entrevistas/2005/abril/cp190405pdf.htm
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15
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Figura 5.1: Diagrama esquemático del procedimiento experimental.
5.1.
Pruebas Preeliminares
5.1.1.
Solución Almidón de Trigo
Se preparó una solución madre de almidón de trigo para realizar las pruebas de yodo y de azúcares reductores. La solución de almidón se realizó de la
siguiente manera:
1. 0.507 g de almidón de trigo en 50 mL de agua destilada
2. Mezclar perfectamente y se almacenar
5.1.2.
Prueba de Yodo
La prueba de yodo se realizó con la finalidad de determinar la presencia de
almidón en la muestra. Una coloración azul-morado, por la formación de un
complejo almidón-yodo indica un resultado positivo.
Reactivos:
solución de yoduro de potasio (KI) 5mM
solución de yodo (I2 ) 5 mM
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Preparación:
1. Se prepararon 6mL de una solución KI/I2 1:1.
2. Se tomó una alı́cuota de 1mL de la muestra y se colocó en un tubo de
ensaye.
3. Se adicionó 1.5 mL de agua destilada al tubo descrito anteriormente.
4. Se colocaron 2.5 mL de la solución KI/I2 y se agregaron al tubo de ensaye
con la muestra y el agua. Se observó el cambio de coloración.
5. Se calibra el espectrofotómetro a una longitud de onda de 580 nm con
un blanco que contiene una solución de 1:1 de la solución KI/I2 y agua
destilada.
6. Se colocaron 3mL de la muestra del tubo de ensaye en una celda.
7. Se introdujo la celda al espectrofotómetro, se leyó el valor y se registró en
la bitácora.
Notas:
Al inicio de la hidrólisis cuando habı́a mucho almidón y forma el complejo
con el yodo y se obtiene una coloración azul intenso.
Al final de la hidrólisis cuando el almidón es muy poco y ya no hay complejo con el yodo y la coloración es casi imperceptible.
5.1.3.
Prueba de Azúcares Reductores
La prueba de azúcares reductores tiene como objetivo determinar la presencia de grupos carbonilo libres (C=O), de ahı́ su nombre. Esto implica la
oxidación del grupo aldehı́do de la glucosa.
Reactivos:
1. solución de Sal de Rochelle (40 % w/v)
2. solución DNS (ácido dinitrosalicı́clico)
Preparación:
1. Se tomó una alı́cuota de 2 mL de la muestra y se colocaron en un tubo de
ensaye.
2. Se adicionó 2 mL de reactivo DNS.
3. La mezcla se colocó en baño Marı́a a una temperatura de 90 ◦ C durante
15 minutos hasta que se desarrolle una coloración rojiza casi café.
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4. Se calibró el espectrofotómetro a una longitud de onda es 575 nm. Con un
blanco que contiene una solución 1:1 del reactivo de DNS y agua destilada.
5. Se enfrió a temperatura ambiente y se registró el valor de la absorbancia
que registra el espectrofotómetro a una longitud de onda de 575 nm.
Notas:
Antes de llevar la solución a 95 ◦ C, cuando todavı́a no hay reacción entre
la oxidación del grupo aldehı́do de la glucosa.
Después de que se oxidó el grupo aldehı́do de la glucosa, por la acción de
la temperatura, tornándose la solución a color marrón.
5.2.
Hidrólisis de Almidón de Trigo
La hidrólisis del almidón se llevó a cabo en dos etapas. En la primera etapa
se llevó a cabo la reacción de la enzima α-amilasa y la segunda por medio de
la enzima glucoamilasa, esto se realizó para obtener glucosa, porque esta es
la fuente de carbono (sustrato) que requiere la levadura para crecer y poder
producir el etanol.
Procedimiento:
1. En un matraz de 4 L se colocaron 3L de agua de la llave.
2. Se pesaron 90 g de almidón de trigo y se colocaron en dicho matraz.
3. Se pesaron 0.6 g de CaCl2 y se coloraron en el matraz anterior.
4. Se esperó que la solución gelatinizara.
5. Después se esperó a que la temperatura alcanzara los 72 ◦ C y se colocaron
6 g de la enzima α-amilasa. La reacción se dejó a temperatura constante
durante 5 horas.
6. Se realizó una prueba de cuantificación de almidón por medio de la prueba
de yodo. Si la coloración observada era lila o casi blanca se podı́a seguir
con la segunda etapa de la hidrólisis. De otro modo, se dejaba reaccionar
por más tiempo hasta que se presentara este color.
7. Se enfrió el matraz en un baño de hielo a 4 ◦ C y se adicionó 1 mL de
H3 PO4 para obtener un pH de 4.2.
8. Se llevó la solucón del matraz a una temperatura de 60 ◦ C y se adicionaron 9 mL de la enzima glucoamilasa, la reacción se dejó por 2.5 horas a
temperatura constante.
9. Se realizó una prueba de azúcares reductores, si la coloración es rojo casi
café la reacción de la hidrólisis está terminada.
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18
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5.3.
Laboratorio de Procesos de Separación, Verano 2008
Experimentación de la Cinética
Procedimiento:
1. En un reactor biológico de 3.25 L de volumen nominal se agregaron 2 L
de solución de almidón hidrolizada, el cual es el medio de cultivo y se le
agregaron 10 g de nutrientes para levadura.
2. Se inoculó al medio de cultivo del biorreactor, 500 mL de la solución de
levadura, que llevaba 24 hr con el inóculo.
3. Se esterilizó el inóculo y se lavó perfectamente el biorreactor antes de la
operación.
4. Se ajustó el biorreactor a una temperatura de 30 ◦ C y una agitación de
150 rpm.
5. Se tomaron muestras de 10 mL aproximadamente cada 5 horas y se tomó de
ahı́ una alı́cuota de 6 mL y se colocaron en un tubo de centrı́fuga y se introdujo al equipo por 15 minuto a 4000 rpm.
6. Mientras tanto, a los 4 mL sobrantes se les realizó un análisis de absorbancia.
7. Al terminar el tiempo en la centrifuga se tomaron 3 mL del sobrenadante
y se filtró, se guardó en un tubo con tapón, se etiquetó y se guardó en el
congelador.
Medio de cultivo:
10 g/L dextrosa diluido en 100 mL
10 g/L peptona de caseı́na
5 g/L de extractos de levadura (yeast extract)
1 g/L de NaCl
Estos últimos tres diluidos todos en 400 mL.
5.4.
Pruebas de Alcohol
1. Se tomaron 5 mL de la muestra sin diluir a la que previamente se le
midió la absorbancia.
2. Se colocaron en un tubo de centrı́fuga y se introdujo en el equipo, se
ajustó a 4000 rpm durante 15 minutos.
3. Con una jeringa se tomaron 2 mL del sobrenadante resultante de la centrifugación.
4. Se filtró la solución a un tubo con tapón.
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19
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Laboratorio de Procesos de Separación, Verano 2008
5. Se etiquetó el tubo.
6. Se tapó el tubo y almacenó en el congelador.
7. Al finalizar el experimento se recolectaron todos los tubos y se llevaron
al laboratorio en donde si midió la concentración de etanol utilizando un
cromatógrafo de gases (CG).
Descripción del equipo:
Marca: Waters
Modelo: 2695
Columna C-18 de 5 micras de 150 * 4.6 mm
Condiciones de operación del CG:
Isopropanol-Agua: 58-42
Flujo: 1.2 mL/min
5.4.1.
Curva de calibración
Utilizando los datos que se muestran en la Tabla 5.1 se realizó una curva de
calibración, para estimar los valores de concentración para la prueba de alcohol.
La Figura 6.1 muestra la ecuación de la regresión lineal obtenida.
Tabla 5.1: Curva de Calibración.
Concentración
[ %v]
0.00 %
0.63 %
1.25 %
2.50 %
5.00 %
10.00 %
15.00 %
20.00 %
30.00 %
F. J. Guerra, C. Mallén, A. Struck, T. Varela
Área
[u.A.]
0
7161
12248
22328
46432
89594
145125
179859
274308
20
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5.5.
Laboratorio de Procesos de Separación, Verano 2008
Destilación y Purificación
Para aumentar la concentración de alcohol de la solución obtenidad posterior a la fermentación se llvaron a cabo cuatro etapas. Dos destilaciones y dos
purificaciones en las cuales se utilizó acetato de sodio anhidro.
La Tabla 5.2 muestra un resumen de los datos experimentales obtenidos para
estas cuatro etapas.
5.5.1.
Primera y Segunda Destilación
La primera destilación se llevó a cabo la destilación en la columna de destilación del laboratorio de Ingenierı́a Quı́mica donde se hicieron 6 cortes midiendo
la concentración de alcohol como %v utilizando un refractómetro. Cabe destacar que el rfractómetro está referenciado a 20 ◦ C, lo que puede causar errores
en las mediciones, no obstante, de acuerdo a los fines de este trabajo, dichas
variaciones serán despreciadas.
La segunda destilación se llevó a cabo en una columna a escala laboratorio
utilizando una columna larga. De igual forma se midió la concentración puntual
en función del tiempo, ası́ como la concentraión de los cortes.
5.5.2.
Primera y Segunda Purificación
Las purificaciones se llevaron a cabo a escala laboratorio utilizando en ambas
ocasiones una columna corta. En ambos casos se utilizó acetato de sodio anhidro
para favorecer la separación.
6.
6.1.
Resultados
Pruebas Preeliminares
Tanto la prueba del yodo, como la de azúcares reductores se llevaron a cabo
de forma cualitativa, resultando ambas positivas.
6.2.
Balance de Masa
Rendimiento teórico
Se realiza un balance de materia comenzando por los 90 g de almidn de trigo.
Considerando que el almidón de trigo utilizado estuviera compuesto al 100 % de
almidn se hacen los siguientes cálculos:
72g6C
180gC6 H12 O6
46gC2 H5 OH
36gC
24g2C
90galmidón ·
F. J. Guerra, C. Mallén, A. Struck, T. Varela
=
36gC
(6.1)
=
69gC2 H5 OH
(6.2)
21
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Tabla 5.2: Datos Experimentales para las Destilaciones y las Purificaciones.
Tiempo
[min]
Corte
Cpunt
[ %v]
Teb
[C]
7.00 %
17.00 %
6.20 %
3.80 %
3.00 %
3.60 %
2.20 %
1.80 %
92.00
94.00
94.00
94.00
94.00
94.00
95.00
95.00
Inicial
D1
0
2
5
10
15
20
25
30
Total
D2
0
3
6
9
12
15
18
Total
P1
0
3
6
9
12
15
1
2
3
4
5
6
Mix
1
2
Mix
ND
20.00 %
20.00 %
19.80 %
19.00 %
16.80 %
19.20 %
11.50 %
16.50 %
20.00 %
19.80 %
19.60 %
19.00 %
15.80 %
Total
P2
0
3
7
9
12
15
18
ND
19.20 %
19.20 %
18.80 %
19.60 %
19.40 %
19.40 %
19.60 %
Final
F. J. Guerra, C. Mallén, A. Struck, T. Varela
Tdom
[C]
25.00
79.30
89.60
90.50
90.80
91.10
91.00
91.20
91.30
25.00
71.00
73.00
79.00
86.00
89.00
78.00
90.00
25.00
71.00
73.00
74.00
82.00
86.00
88.00
25.00
71.00
71.00
71.00
68.50
66.00
64.00
61.00
25
V
[mL]
2135.00
Cmix
[ %v]
2.00 %
20.50
25.50
22.00
24.00
25.00
25.00
142.00
12.80 %
4.20 %
3.60 %
3.70 %
2.30 %
2.00 %
4.54 %
19.20 %
30.00
12.00 %
18.40 %
20.50
19.20 %
13.00
19.40 %
22
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Laboratorio de Procesos de Separación, Verano 2008
Asumiendo que el almidón está compuesto por n glucosas que que todo el
carbono de éstas estuviera disponible para la producción de alcohol, el rendimiento serı́a de 69 g de C2 H5OH. Si se considera una densidad a 25 ◦ C de
798.5096 kg/m3 :
69gC2 H5 OH
0.7985g
= 55.0965mL
mL
(6.3)
Con base en el resultado obtenido y considerando que se obtuvieron 2.135 L
al 2 %v Alc/Vol, es posible calcular el rendimiento teórico de la fermentación.
Para el caso de las destilaciones se utilizó la ecuación:
experimental − teórico
· 100
(6.4)
teórico
Para el cáculo del rendimiento de la etapa se considera que el valor inicial
de la destilación n es el mismo que el final de la destilación n − 1. Los rsultados
se muestran en la Tabla 6.1.
rendimiento =
Si bien los rendimientos por etapa resultan altos es posible notar que disminuyen a partir de la segunda destilación. Asimismo, por más alto que sea el
rendimiento, no justifica el aumento mı́nimo en la concentración de la solución.
El peor rendimiento se obtuvo para el caso de la primera destilación. Esto debido quizá al ser desproporcionadamente grande respecto a nuestra muestra. A lo
largo de la columna y al haber tanto volumen muerto existen una considerable
cantidad de fugas y posibles mermas.
El rendimiento de la fermentación resulta sorpresivamente alto, más si se
considera que para obtener el valor teórico se supuso que la totalidad de la masa
utilizada en un inicio era almidón puro de trigo y que todo el carbono disponible
se convertirı́a en etanol. Cabe recordar que el almidón no es una cadena lineal.
Si bien la hidrólisis favorece la exposición de gran parte del carbono, no todo
queda expuesto y listo para la fermentación.
Cuadro 6.1: Tabla de Rendimientos por Etapa.
Fermentación
1a Destiliación
2a Destilación
1a Purificación
2a Purificación
Vmix
[mL]
2135.00
142.00
30.00
20.50
13.00
Cmix
[ %v]
2.00 %
4.54 %
18.40 %
19.20 %
19.40 %
F. J. Guerra, C. Mallén, A. Struck, T. Varela
Cmix
[ %m]
1.61 %
2.55 %
15.34 %
16.03 %
16.20 %
Valcohol
[mL]
42.70
6.45
5.52
3.94
2.52
Rendimiento
[ %]
77.50 %
15.10 %
85.62 %
71.30 %
64.08 %
23
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6.3.
Laboratorio de Procesos de Separación, Verano 2008
Fermentación
Durante la fermentación se tomaron muestras del reactor para monitorear
la concentración de alcohol. Ésta se determinó utilizando la técnica de cromatografı́a de gases. Para poder interpretar las áreas de los picos fue necesario
realizar una curva de calibración (Figura 6.1). Los resultados de la concentración de alcohol se muestran en la Figura 6.2.
Figura 6.1: Curva de calibración para las pruebas de alcohol en el CG.
Analizando la Figura 6.2 es posible observar cómo en un inicio, la concentración de alcohol aumenta con una tendencia fuerte, la cual va disminuyendo
conforme avanza el tiempo, hasta llegar a un estado casi estacionario, e incluso
un poco decreciente. Asimismo, es posible observar que la máxima concentración es cercana al 5 %v, no muy lejos del 2 %v obtenido a través del ı́ndice de
refracción. Cabe recordar la alta imprecisión de dicho aparato, no sólo por las
variaciones en la temperatura, sino por la naturaleza de su lectura.
6.4.
Etapas de Purificación
La Figura 6.3 muestra una tabla comparativa con el rendimiento para cada
etapa y el porcentaje de alcohol de la solución obtenida. Claramente se observa
que la segunda destilación, es decir, la primera realziada a escala de laboratorio
no sólo es la de mayur rendimiento, sino la que en mayor proporción aumenta
F. J. Guerra, C. Mallén, A. Struck, T. Varela
24
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Laboratorio de Procesos de Separación, Verano 2008
Figura 6.2: Concentración de alcohol durante la fermentación.
la concentración del destilado. Podrı́a argumentarse que el resto de las destilaciones y purificaciones fueron un tanto obsoletas, pues más allá de purificar
ligeramente la solución, causaron mermas importantes en la muestra.
La Figura 6.4 muestra la variación de la concentración en función del tiempo
para cada una de las etapas de purificación. Asimismo se comparan los valores
experimentales con los teóricos ideales. Si bien los valores resultan poco usuales,
es posible notar con claridad que la primera destilación es la única notablemente
diferente al resto. Es decir, una vez finalizada la segunda destilación, los cambios
en la concentración del destilado fueron prácticamente nulos.
7.
Conclusiones
Con base en los resultados presentados es posible afirmar que se cumplieron
los objetivos del proyecto. Como se menciona a lo largo del reporte, se obtuvo
etanol a partir de almidón de trigo, el cual fue posteriormente purificado. En
una última instancia se obtuvieron 13mL con una concentración de 19.4 %v.
Si bien la pureza obtenida dista considerablemente del grado anhidro, resulta un muy buen acercamiento para una primera instancia de experimentación,
con una sustancia poco estudiada como lo es el trigo.
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Figura 6.3: Rendimiento de las etapas de purificación.
Figura 6.4: Variación de la concentración en las diferentes etapas de purificación.
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El presente trabajo sienta las bases para futuras y más minuciosas experimentaciones, donde el medio de cultivo y las levaduras podrı́an ser factores de
influencia a considerar en el rendimiento de la fermentación.
No obstante, el verdadero reto se encuentra en la purificación. Con base en
los resultados obtenidos y contrario a las expectativas,la primera destilación, llevada a cabo en una columna más compleja que las demás destilaciones resultó en
un rendimiento casi ridı́culo. Valdrı́a la pena omitir ese paso, para reconsiderar
el hecho de utilizar dicho equipo.
Además de las limitaciones técnicas propuestas en el presente trabajo es
necesario considerar as limitaciones de viabilidad económica y la sustentabilidad alimenticia. Más aun considerando el paupérrimo rendimiento del trigo por
hectárea, comparándolo con otras materias primas lingocelulósicas utilizadas
para la producción de bioetanol.
Es importante recordar que el bioetanol emite igual (o muy similar) cantidad de CO2 que los combustibles fósiles y si bien uno de sus beneficios es ser
un recurso renovable, el verdadero incentivo en su uso está en el balance global
de CO2 , pues el los plantı́os necesarios para proudcir bioetanol consumen más
CO2 del que emite el bioetanol producido. Desde el punto de vista energético
aún se debate si su balance es favorable o desfavorable.
Estudiar un proceso desde su inicio hasta sus etapas finales resulta no sólo
muy interesante, sino enriquecedor, pues en ocasiones se cree que para producir
etanol hay que meter harina en un reactor, esperar, y cargar el tanque. Los procesos industriales son mucho más complejos que esto y nuevamente se demuestra
que las etapas de purificación son sin duda alguna las más caras del proceso.
El reto para el Ingeniero Quı́mico está en mejorar estas etapas, aumentar
los rendimientos y encontrar soluciones alternativas que permitan un desarrollo
integral y sustentable.
“Logic will get you from A to B.
Imagination will take you everywhere.”
- A. Einstein
F. J. Guerra, C. Mallén, A. Struck, T. Varela
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Referencias
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A.
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Fuentes de Energı́a Alternativas
Una energı́a alternativa, o más precisamente una fuente de energı́a alternativa es aquella que puede suplir a las energı́as o fuentes energéticas actuales, ya
sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad
de renovación.
El consumo de energı́a es uno de los grandes medidores del progreso y bienestar de una sociedad. El concepto de “crisis energética” aparece cuando las
fuentes de energı́a de las que se abastece la sociedad se agotan. Un modelo
económico como el actual, cuyo funcionamiento depende de un continuo crecimiento, exige también una demanda igualmente creciente de energı́a. Puesto
que las fuentes de energı́a fósil y nuclear son finitas, es inevitable que en un
determinado momento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistema
colapse, salvo que se descubran y desarrollen otros nuevos métodos para obtener
dicha energı́a. Estas son las energı́as alternativas.
En la actualidad se siguen buscando soluciones para resolver esta crisis inminente. Las energı́as renovables en las que se trabaja actualmente son:
La energı́a eólica que es la energı́a cinética o de movimiento que contiene el
viento, y que se capta por medio de aerogeneradores o molinos de viento.
La energı́a hidráulica, consistente en la captación de la energı́a potencial
de los saltos de agua, y que se realiza en centrales hidroeléctricas.
La energı́a oceánica o mareomotriz, que se obtiene bien de las mareas (de
forma análoga a la hidroeléctrica), o bien a través de la energı́a de las olas.
La energı́a solar recolectada de forma directa en forma de calor a alta
temperatura en centrales solares de distintos tipos, o a baja temperatura
mediante paneles térmicos domésticos, o bien en forma de electricidad
mediante el efecto fotoeléctrico mediante paneles foto voltaicos.
La energı́a geotérmica producida al aprovechar el calor del subsuelo en las
zonas donde ello es posible.
La biomasa por descomposición de residuos orgánicos o bien por su quema
directa como combustible.
La discusión energı́a alternativa/convencional no es una mera clasificación
de las fuentes de energı́a, sino que representa un cambio que necesariamente
tendrá que producirse durante este siglo. Es importante señalar que las energı́as
alternativas, aun siendo renovables, también son finitas, y como cualquier otro
recurso natural tendrán un lı́mite máximo de explotación, por tanto incluso
aunque podamos realizar la transición a estas nuevas energı́as de forma suave y
gradual, tampoco van a permitir continuar con este modelo económico basado
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en el crecimiento perpetuo. Es por ello por lo que surge el concepto del “Desarrollo Sostenible”.
Dicho modelo se basa en las siguientes premisas:
El uso de fuentes de energı́a renovable, ya que las fuentes fósiles actualmente explotadas terminarán agotándose, según los pronósticos actuales,
en el transcurso de este siglo XXI.
El uso de fuentes limpias, abandonando los procesos de combustión convencionales y la fisión nuclear.
La explotación extensiva de las fuentes de energı́a, proponiéndose como alternativa el fomento del auto consumo, que evite en la medida de lo posible
la construcción de grandes infraestructuras de generación y distribución
de energı́a eléctrica.
La disminución de la demanda energética, mediante la mejora del rendimiento de los dispositivos eléctricos (electrodomésticos, lámparas, etc.)
Reducir o eliminar el consumo energético innecesario. No se trata sólo
de consumir más eficientemente, sino de consumir menos, es decir, desarrollar una conciencia y una cultura del ahorro energético y condena del
despilfarro.
La producción de energı́as limpias, alternativas y renovables no es por tanto
una cultura o un intento de mejorar el medio ambiente, sino una necesidad a la
que el ser humano se va a ver abocado, independientemente de nuestra opinión,
gustos o creencias.
A.1.
Energı́a Eólica
La energı́a eólica es la energı́a obtenida del viento, es decir, aquella que se
obtiene de la energı́a cinética generada por efecto de las corrientes de aire y
ası́ mismo las vibraciones que el aire produce. La energı́a del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de
alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades
proporcionales al gradiente de presión.
Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2 % de la energı́a
proveniente del sol se convierte en viento. De dı́a, las masas de aire sobre los
océanos, los mares y los lagos se mantienen frı́as con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales. Los continentes absorben una menor
cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se
expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frı́o y más
pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.
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Para poder aprovechar la energı́a eólica es importante conocer la velocidad
máxima del viento. Para poder utilizar la energı́a del viento, es necesario que
éste alcance una velocidad mı́nima de 12 km/h, y que no supere los 65 km/h. La
energı́a del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energı́a eólica en energı́a mecánica de rotación
utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como
para la producción de energı́a eléctrica.
El desarrollo de energı́a eólica en Latinoamérica está en sus comienzos, llegando la capacidad instalada en varios paı́ses a un total de alrededor de 473
MW:
Brasil: 256 MW
México: 88 MW
Costa Rica: 74 MW
Argentina: 27 MW
Chile: 20 MW
Colombia: 20 MW
Cuba: 5 MW
Perú: 1 MW
Otros paı́ses del Caribe: 57 MW
A.1.1.
Central eólica de La Venta, Oaxaca
La Central de La Venta se localiza en el sitio del mismo nombre, a unos 30
kilómetros al noreste de Juchitán, Oaxaca. Fue la primera planta eólica integrada
a la red en América Latina. Con una capacidad instalada de 84.875 MW, consta
de 105 aerogeneradores, ya que a partir de enero de 2007 entraron en operación
comercial 98 nuevas unidades generadoras.
A.2.
Energı́a Hidráulica
Se denomina energı́a hidráulica o energı́a hı́drica a aquella que se obtiene
del aprovechamiento de las energı́as cinética y potencial de la corriente de rı́os,
saltos de agua o mareas. Es un tipo de energı́a verde cuando su impacto ambiental es mı́nimo y usa la fuerza hı́drica sin represarla, en caso contrario es
considerada sólo una forma de energı́a renovable.
La energı́a hidráulica tiene la cualidad de ser renovable, pues no se agota la
fuente primaria al explotarla, y es limpia, ya que no produce en su explotación
sustancias contaminantes de ningún tipo. Sin embargo, el impacto medioambiental de las grandes presas, por la severa alteración del paisaje e, incluso, la
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inducción de un microclima diferenciado en su emplazamiento, ha desmerecido
la bondad ecológica de este concepto en los últimos años.
La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos,
presas, canales de derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la inversión de grandes sumas
de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el
petróleo son baratos, aunque el coste de mantenimiento de una central térmica,
debido al combustible, sea más caro que el de una central hidroeléctrica. Sin
embargo, el peso de las consideraciones medioambientales centra la atención en
estas fuentes de energı́a renovables.
A.2.1.
Presa de las Tres Gargantas
La presa de las Tres Gargantas está situada en el curso del rı́o Yangtsé en
China y es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del
mundo. La presa se levanta a orillas de la ciudad Yichang, en la provincia de
Hubei, en el centro de China. El futuro embalse llevará el nombre de Sandouping,
y podrá almacenar 39.000 millones de m3 . Contará con 32 turbinas de 700 MW
cada una, 14 instaladas en el lado norte de la presa, 12 en el lado sur de la
presa y seis más subterráneas totalizando una potencia de 22,5 gigavatios (GW),
generando en conjunto una energı́a eléctrica de unos 100 TWh al año.
A.3.
Energı́a Oceánica o Maremotriz
La energı́a mareomotriz se debe a las fuerzas de atracción gravitatoria entre
la Luna, la Tierra y el Sol. La energı́a mareomotriz es la que resulta de aprovechar las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la
posición relativa de la Tierra y la Luna, y que resulta de la atracción gravitatoria
de esta última y del Sol sobre las masas de agua de los mares. Esta diferencia de
alturas puede aprovecharse interponiendo partes móviles al movimiento natural
de ascenso o descenso de las aguas, junto con mecanismos de canalización y
depósito, para obtener movimiento en un eje. Mediante su acoplamiento a un
alternador se puede utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando ası́ la energı́a mareomotriz en energı́a eléctrica, una forma energética
más útil y aprovechable. Es un tipo de energı́a renovable limpia. La energia
mareomotriz es sumamente limpia, pues carece de emision de contaminantes en
su obtencion.
La energı́a mareomotriz tiene la cualidad de ser renovable, en tanto que la
fuente de energı́a primaria no se agota por su explotación, y es limpia, ya que
en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes
gaseosos, lı́quidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energı́a
que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental de
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instalar los dispositivos para su proceso han impedido una proliferación notable
de este tipo de energı́a. Otras formas de extraer energı́a del mar son: las olas,
la energı́a undimotriz; de la diferencia de temperatura entre la superficie y las
aguas profundas del océano, el gradiente térmico oceánico; de la salinidad; de
las corrientes submarinas o la eólica marina.
A.3.1.
La central maremotriz de La Rance en Francia
En Francia, en el estuario del rı́o Rance, EDF instaló una central eléctrica
mareomotriz. Funcionó durante varias décadas, produciendo electricidad para
cubrir las necesidades de una ciudad como Rennes (el 3 % de las necesidades de
Bretaña). El costo del kWh resultó similar o más barato que el de una central
eléctrica convencional, sin el costo de emisiones de gases de efecto invernadero
a la atmósfera ni consumo de combustibles fósiles ni los riesgos de las centrales
nucleares. No obstante, los problemas medioambientales fueron bastante graves,
como aterramiento del rı́o, cambios de salinidad en el estuario y sus proximidades y cambio del ecosistema antes y después de las instalaciones.
Otros proyectos similares, como el de una central mucho mayor prevista en
Francia en la zona del Mont Saint Michel, o el de la Bahı́a de Fundy en Canadá,
donde se dan hasta 10 metros de diferencia de marea, o el del estuario del rı́o
Severn, en el reino Unido, entre Gales e Inglaterra, no han llegado a ejecutarse
por el riesgo de un fuerte impacto medioambiental.
A.4.
Energı́a Solar
La energı́a solar es la energı́a obtenida directamente del Sol. La radiación
solar incidente en la Tierra puede aprovecharse, por su capacidad para calentar,
o directamente, a través del aprovechamiento de la radiación en dispositivos
ópticos o de otro tipo. Es un tipo de energı́a renovable y limpia.
La potencia de la radiación varı́a según el momento del dı́a, las condiciones
atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas
condiciones de irradiación el valor es superior a los 1000 W/m2 en la superficie
terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia.
La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la
suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar,
sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda
celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar
en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres.
La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras
que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones.
La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de
la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1354
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W/m2 (que corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1395 W/m2 y un
valor mı́nimo en el afelio de 1308 W/m2 ).
Cada sistema tiene diferentes rendimientos. Los tı́picos de una célula fotovoltaica (aislada) de silicio policristalino oscilan alrededor del 10 %. Para células de
silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15 %. Los más altos se consiguen
con los colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede alcanzar el
70 % de transferencia de energı́a solar a térmica).
También la energı́a solar termoeléctrica de baja temperatura, con el sistema
de nuevo desarrollo, ronda el 50 % en sus primeras versiones. Tiene la ventaja
que puede funcionar 24 horas al dı́a a base de agua caliente almacenada durante
las horas de sol.
Según el 21◦ Estudio del World Energy Council, para el año 2100 el 70 % de
la energı́a consumida será de origen solar.
A.4.1.
Central eléctrica Sanlúcar la Mayor
La central PS10, construida por Abengoa en colaboración con el CIEMAT
en Sanlúcar la Mayor (Sevilla), está conectada a la red eléctrica y produciendo
desde el 28 de febrero de 2007. Fue inaugurada oficialmente por el presidente de
la junta de Andalucı́a, Manuel Chaves, el 30 de marzo de 2007. Se prevé una vida
operativa de al menos 25 años; es la primera central de explotación comercial
de su tipo. El receptor es de vapor saturado, la potencia es de 11 MWh (624
helióstatos y torre de 114 metros de altura) y se espera una producción anual
de 24,2 GWh.
A.5.
Energı́a Geotérmica
La energı́a geotérmica es aquella energı́a que puede ser obtenida por el hombre mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. El calor del
interior de la Tierra se debe a varios factores, entre los que caben destacar el
gradiente geotérmico, el calor radiogénico, etc.
Se obtiene energı́a geotérmica por extracción del calor interno de la Tierra.
En áreas de aguas termales muy calientes a poca profundidad, se perfora por
fracturas naturales de las rocas basales o dentro de rocas sedimentarios. El agua
caliente o el vapor pueden fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos de
flujos de agua y de vapor (flashing). El método a elegir depende del que en cada
caso sea económicamente rentable. Un ejemplo, en Inglaterra, fue el “Proyecto
de Piedras Calientes HDR” (sigla en inglés: HDR, Hot Dry Rocks), abandonado después de comprobar su inviabilidad económica en 1989. Los recursos de
magma (rocas fundidas) ofrecen energı́a geotérmica de altı́sima temperatura,
pero con la tecnologı́a existente no se pueden aprovechar económicamente esas
F. J. Guerra, C. Mallén, A. Struck, T. Varela
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fuentes.
En la mayorı́a de los casos la explotación debe hacerse con dos pozos (o un
número par de pozos), de modo que por uno se obtiene el agua caliente y por
otro se vuelve a reinyectar en el acuı́fero, tras haber enfriado el caudal obtenido.
Las ventajas de este sistema son múltiples:
Hay menos probabilidades de agotar el yacimiento térmico, puesto que
el agua reinyectada contiene todavı́a una importante cantidad de energı́a
térmica.
Tampoco se agota el agua del yacimiento, puesto que la cantidad total se
mantiene.
Las posibles sales o emisiones de gases disueltos en el agua no se manifiestan al circular en circuito cerrado por las conducciones, lo que evita
contaminaciones.
Hay tres tipo de plantas eléctricas que se usan para generar potencia de la
energı́a geotérmica:
vapor seco
flash
binario
En las plantas a vapor seco se toma el vapor de las fracturas en el suelo y
se pasa directamente por una turbina, para mover un generador. En las plantas
flash se obtiene agua muy caliente, generalmente a más de 200 ◦ C, y se separa
la fase vapor en separadores vapor/agua, y se mueve una turbina con el vapor.
En las plantas binarias, el agua caliente fluye a través de intercambiadores de
calor, haciendo hervir un fluido orgánico que luego hace girar la turbina. El vapor condensado y el fluido remanente geotérmico de los tres tipos de plantas se
vuelve a inyectar en la roca caliente para hacer más vapor. El calor de la tierra
es considerado como una energı́a sostenible. El calor de la Tierra es tan vasto
que solo se puede extraer una fracción, por lo que el futuro es relevante para las
necesidades de energı́a mundial.
A.5.1.
The Geysers
“Los Géiseres” (The Geysers), a 145 km al norte de San Francisco es la planta
más grande de las que funcionan con vapor seco. La planta comenzó a funcionar
en 1960 con 1.360 MW de capacidad instalada y genera 1.000 MW netos. La
“Calpine Corporation” es dueña de 19 de las 21 plantas en The Geysers, y en
EE.UU. es el productor de energı́a renovable geotérmica más grande. Las otras
dos plantas son propiedad de la “Northern California Power Agency” y “Santa
Clara Electric”.
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